一種堿性電池用管式鎳電極及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種堿性電池用管式鎳電極及其制備方法，管式鎳電極包括至少一根的導(dǎo)電基芯、與導(dǎo)電基芯一端相連接的集電極，它還包括套設(shè)在導(dǎo)電基芯外的排管，排管的一端封閉另一端與集電極相抵，導(dǎo)電基芯的數(shù)目與所述排管的數(shù)目相同，導(dǎo)電基芯與排管之間填充有活性物質(zhì)。本發(fā)明排管采用耐堿性強(qiáng)的紡織材料編織固化而成，給活性物質(zhì)一個向內(nèi)的應(yīng)力，抵消活性物質(zhì)體積變化帶來的負(fù)效應(yīng)，確保電極在使用過程中活性物質(zhì)不脫落，延長了電極的使用壽命。
【專利說明】—種堿性電池用管式鎳電極及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種堿性電池，具體涉及一種堿性電池用管式鎳電極及其制備方法。【背景技術(shù)】
[0002]堿性蓄電池中，活性物質(zhì)羥基氧化鎳/氫氧化鎳在多種蓄電池體系中廣泛使用，如氫鎳電池、金屬氫化物鎳電池、鐵鎳電池、鋅鎳電池等。氫氧化鎳包括α、β兩種晶型，對應(yīng)于羥基氧化鎳的β、Y兩種晶型，為質(zhì)子擴(kuò)散的反應(yīng)機(jī)制，電化學(xué)反應(yīng)過程伴隨著體積變化。
[0003]傳統(tǒng)上，鎳電極的制備方法有3種:1、袋(盒)式電極，活性物質(zhì)與導(dǎo)電物質(zhì)石墨等混合填充到袋中或裝在鍍鎳的打孔鋼盒內(nèi)，經(jīng)壓實(shí)后制成電極；2、燒結(jié)式電極，將鎳粉與造孔劑按一定比率混合，與鍍鎳鋼帶骨架一起壓制成型或涂覆在骨架上，通過還原氣氛下燒結(jié)制備得到燒結(jié)式基體，化學(xué)或電化學(xué)浸潰活性物質(zhì)后制成電極；3、泡沫式或纖維式鎳電極，采用泡沫鎳或纖維鎳氈作為電極的集流體，活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、添加劑及粘結(jié)劑組成的活性物料填充于集流體孔隙后制成電極。袋(盒)式鎳電極機(jī)械強(qiáng)度好、可靠性高、材料便宜，但是比容量、比能量較低，大電流放電性能較差，現(xiàn)袋(盒)式鎳電極應(yīng)用領(lǐng)域逐漸減小，現(xiàn)在僅僅用于對體積、質(zhì)量要求不高，電流不大的固定使用場所。燒結(jié)式鎳電極機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能好、倍率性能高，但是比容量低、造價高、能耗高，特別是鎳用量高，難以降低成本。因基體具有高孔隙率及低密度的特點(diǎn)，泡沫式和纖維式鎳電極具有很高比容量，但是電極的機(jī)械強(qiáng)度低，因活性物質(zhì)的體積變化引起電極的膨脹導(dǎo)致電極變形、活性物質(zhì)脫落，影響電極循環(huán)壽命。我們提出了鋅鎳單液流電池(ZL 200610109424.7)，具有比能量高、t匕功率大、工作溫度范圍寬廣的特點(diǎn)，并且原材料豐富、成本低，不會對環(huán)境造成污染，作為儲能電源具有廣泛的應(yīng)用前景，適用于與風(fēng)能、太陽能等可再生能源配套進(jìn)行可再生能源儲能。在鋅鎳單液流電池中，鎳電極是重要的零部件之一，也面臨鎳電極比容量低、造價高的難題。
[0004]目前的成品鎳電極存在以下問題:(1)充放電過程中，羥基氧化鎳/氫氧化鎳體積有明顯變化(膨脹，收縮)，導(dǎo)致活性物質(zhì)脫落嚴(yán)重，電極壽命受損；(2)鎳電極面容量小，成為制約堿性電池總電容量、比能量的瓶頸；(3)工藝復(fù)雜、成本高，尤其是燒結(jié)鎳電極，成本占單個電池成本的一半以上，成為堿性電池成本制約因素及堿性電池用于規(guī)?；瘍δ艿谋饶芰恐萍s因素。
[0005]綜上所述，新型鎮(zhèn)電極的改進(jìn)和提聞是有效提聞和改進(jìn)喊性電池的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種堿性電池用管式鎳電極及其制備方法，確保使用過程中正極活性物質(zhì)不脫落，提高鎳電極的容量，延長電池使用壽命。
[0007]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采取的一種技術(shù)方案是: 一種堿性電池用管式鎳電極，包括至少一根的導(dǎo)電基芯、與導(dǎo)電基芯一端相連接的集電極、套設(shè)在導(dǎo)電基芯外的排管，排管的一端封閉另一端與集電極相抵，導(dǎo)電基芯的數(shù)目與排管的管數(shù)相同，導(dǎo)電基芯與排管之間填充有活性物質(zhì)。
[0008]優(yōu)選地，排管由纖維紡織材料編織、經(jīng)固化劑固化定型而成，纖維紡織材料為錦綸絲、丙綸絲、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一種或幾種組合。
[0009]優(yōu)選地，排管的孔隙率> 50%，排管的編織孔徑不大于50微米，排管的孔隙小于活性物質(zhì)的粒徑。
[0010]優(yōu)選地，排管的橫截面形狀為圓形、橢圓形、正方形、長方形、腰形中的一種。
[0011 ] 優(yōu)選地，導(dǎo)電基芯的材質(zhì)為泡沫鎳、鎳、鍍鎳不銹鋼、鍍鎳鋼中的一種。
[0012]優(yōu)選地，導(dǎo)電基芯的橫截面形狀為圓形、環(huán)形、星形、方形中的一種。
[0013]優(yōu)選地，排管的一端由扣底封閉。
[0014]進(jìn)一步優(yōu)選地，扣底為與排管配套的密封扣，密封扣的材質(zhì)為尼龍、聚乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、呋喃樹脂中的一種或幾種組合物。
[0015]優(yōu)選地，活性物質(zhì)為含有氫氧化鎳、鎳粉、氧化鈷的混合鎳電極漿料。
[0016]活性物質(zhì)中的活性成分是氫氧化鎳、羥基氧化鎳的混合氧化物，可以是堿性電池常用球鎳、納米氫氧化鎳或他們的混合物，可以是羥基氧化鈷包覆的氫氧化鎳。
[0017]優(yōu)選地，集電極的材質(zhì)為鎳、鍍鎳不銹鋼、鍍鎳鋼中的一種，集電極與排管相抵部位的形狀為與排管的內(nèi)管相密封配合的形狀。
[0018]一種涉及上述的堿性電池用管式鎳電極的制備方法，包括以下步驟:
1、用織布機(jī)將纖維紡織材料織成具有空管的單管的坯布，單管之間隨著纖維紡織材料的編織連接在一起形成多管坯布，將多管坯布裁成所需要的尺寸規(guī)格浸入固化劑，晾干后將模芯插入空管中，固化后抽出模芯，經(jīng)修正后得到排管3 ；
2、將活性物質(zhì)4用水或乙醇水溶液在造粒機(jī)中造粒，其中，造粒后的顆粒大小不大于
0.5mm，水或乙醇水溶液與活性物質(zhì)4的體積比不大于20% ；
3、集電極I與導(dǎo)電基芯2為同材質(zhì)一體結(jié)構(gòu)，或者集電極I與導(dǎo)電基芯2為分體結(jié)構(gòu)并且將二者焊接在一起，將排管3套設(shè)在導(dǎo)電基芯2外并使導(dǎo)電基芯2處于排管3中心，用灌粉機(jī)將步驟(2)中的所造顆粒擠入排管3中并壓實(shí)，用扣底將所述排管的另一端封閉，其中，排管3由內(nèi)擠壓膨脹所引起應(yīng)力不小于5牛頓/厘米；
4、將步驟(3)中所得到的電極基材用化學(xué)法活化或電化學(xué)法活化，即得堿性電池用管式鎳電極。其中，化學(xué)法活化為用過硫酸鹽、次氯酸鹽水溶液浸泡步驟(3)所得到的電極基材3-10小時；電化學(xué)法活化為將步驟(3)所得到的電極基材以0.1-0.5倍率電流充放電3-5 次。
[0019]由于以上技術(shù)方案的采用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明活性物質(zhì)填充在管中，導(dǎo)電基芯與充分的緊密結(jié)合，實(shí)際面容量大于其它現(xiàn)有類型的鎳電極，電池總電容量大。
[0020]2、本發(fā)明排管采用耐堿性強(qiáng)的纖維紡織材料編織、固化劑固化定型而成，給正極活性物質(zhì)一個向內(nèi)的應(yīng)力，可抵消正極體積變化帶來的負(fù)效應(yīng)，減輕羥基氧化鎳/氫氧化鎳體積變化，確保鎳電極在使用過程中正極活性物質(zhì)不脫落，能夠延長電極的使用壽命。
[0021]3、本發(fā)明鎳電極制作工藝簡便、效率高、成本低、質(zhì)量穩(wěn)定可靠，有助于降低鎳電 極及堿性電池的制造成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中:1、集電極；2、導(dǎo)電基芯；3、排管；4、活性物質(zhì)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
實(shí)施例1
如圖1所示，本發(fā)明堿性電池用管式鎳電極，包括19根直徑為4.5mm,長為70mm的多孔疏松結(jié)構(gòu)的圓形泡沫鎳條作為導(dǎo)電基芯2，與導(dǎo)電基芯2 —端相連接的集電極1，集電極I的材質(zhì)為鍍鎳不銹鋼，導(dǎo)電基芯2外套設(shè)有與導(dǎo)電基芯相同數(shù)目的長為70 mm，內(nèi)徑為5mm,壁厚為0.5 mm的圓形排管3，排管3由錦綸絲編織、經(jīng)固化劑固化定型而成，排管3的孔隙率為50%，編織孔徑為50微米，排管3的一端由外徑為5mm的聚乙烯塑料扣底封閉，另一端與集電極I相抵，集電極I與排管3的相抵部分為外徑為5mm的低圓臺以密封排管3,導(dǎo)電基芯2與排管3之間的空隙中填充有混合均勻的鎳電極漿料，漿料中各組分的重量百分比為氫氧化鎳34%、鎳粉34%、氧化鈷5%、水25%、CMC 0.7%和PTFE 1.3%。
[0024]堿性電池用管式鎳電極的制備方法如下:(I)用織布機(jī)將錦綸絲織成具有空管的單管的坯布，單管之間隨著錦綸絲的編織連接在一起形成多管坯布，將多管坯布裁成所需要的尺寸規(guī)格浸入固化劑雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹酯中，晾干后將圓形模芯插入空管中，固化后抽出模芯，經(jīng)修正后得到排管3 ; (2)將活性物質(zhì)4 (氫氧化鎳34%、鎳粉34%、氧化鈷5%、水25%、CMC 0.7%和PTFE 1.3%)用25%的水在造粒機(jī)中造粒，造粒后的顆粒大小為
0.5mm； (3)將泡沫鎳導(dǎo)電基芯2與集電極I焊接成一體結(jié)構(gòu)的部件，將排管3套設(shè)在導(dǎo)電基芯2外并使導(dǎo)電基芯2處于排管3的中心，用灌粉機(jī)將步驟(2)所造的顆粒擠入排管3中壓實(shí)，用扣底將排管3的另一端封閉，其中，排管3由內(nèi)擠壓膨脹所引起的應(yīng)力為5牛頓/厘米；(4)將步驟(3)中所得到的電極基材浸泡在7M KOH水溶液中15小時，而后以0.25倍率電流充放電5次，即得。充放電輔助電極為過量燒結(jié)鎘電極、充放電電壓范圍0.9-1.8V。
[0025]實(shí)施例2
一種堿性電池用管式鎳電極，包括長為IOOmm的10根外徑為4.5mm,壁厚為0.5mm的鍍鎳鋼管作為導(dǎo)電基芯2，與導(dǎo)電基芯2 —端一體化的集電極I，集電極I為長100mm，寬20mm的凹形鍍鎳鋼片，導(dǎo)電基芯2外套設(shè)有與導(dǎo)電基芯相同數(shù)目的長為105 mm，內(nèi)徑為5 mm，壁厚為0.4 mm的圓形排管3，排管3由丙綸絲編織、經(jīng)固化劑固化定型而成，排管3的孔隙率為55%，編織孔徑為50微米，排管3的一端由外徑為5mm的聚乙烯醇塑料扣底封閉，集電極I與排管3的相抵部分為外徑為5mm的低圓臺以密封排管3，導(dǎo)電基芯2與排管3之間的空隙中填充有混合均勻的鎳電極漿料，漿料中各組分的重量百分比為氫氧化鎳85%、鎳粉7%、氧化鈷 6%、CMC 0.7% 和 PTFE 1.3%。
[0026]堿性電池用管式鎳電極的制備方法如下:(I)用織布機(jī)將丙綸絲織成具有空管的單管的坯布，單管之間隨著錦綸絲的編織連接在一起形成多管坯布，將多管坯布裁成所需要的尺寸規(guī)格浸入固化劑雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹酯中，晾干后將圓形模芯插入空管中，固化后抽出模芯，經(jīng)修正后得到排管3 ; (2)將活性物質(zhì)4 (氫氧化鎳85%、鎳粉7%、氧化鈷6%,CMC 0.7%和PTFE 1.3%)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%乙醇水溶液在造粒機(jī)中造粒，造粒后的顆粒大小為0.4mm,乙醇水溶液與活性物質(zhì)4的體積比為15% ; (3)取材質(zhì)為鍍鎳鋼的導(dǎo)電基芯2與集電極I 一體結(jié)構(gòu)的部件，將排管3套設(shè)在導(dǎo)電基芯2外并使導(dǎo)電基芯2處于排管3的中心，用灌粉機(jī)將步驟(2)所造的顆粒擠入排管3中壓實(shí)，用扣底將排管3的另一端封閉，其中，排管3由內(nèi)擠壓膨脹所引起的應(yīng)力為5牛頓/厘米；(4)將步驟(3)中所得到的電極基材浸泡在7M KOH水溶液中10小時，而后以0.1倍率電流充放電3次，即得。充放電輔助電極為過量燒結(jié)鎘電極、充放電電壓范圍1-1.7 V。
[0027]實(shí)施例3
一種堿性電池用管式鎳電極，包括長為250mm的38根邊長為5.5cm的空心正方形鍍鎳不銹鋼柱作為導(dǎo)電基芯2，與導(dǎo)電基芯2 —端相焊接的集電極1，集電極I的材質(zhì)為鍍鎳不銹鋼，導(dǎo)電基芯2外套設(shè)有與導(dǎo)電基芯相同數(shù)目的長為250 mm，內(nèi)徑為6 _1，壁厚為0.5 mm的圓形排管3，排管3由聚偏氟乙烯編織、經(jīng)固化劑固化定型而成，排管3的孔隙率為55%，編織孔徑為45微米，排管3的一端由外徑為6mm的聚氯乙烯塑料扣底封閉，集電極I與排管3的相抵部分為外徑為6mm的低圓臺以密封排管3，導(dǎo)電基芯2與排管3之間的空隙中填充有混合均勻的鎳電極漿料，漿料中各組分的重量百分比為氫氧化鎳83%、鎳粉10%、氧化鈷 5%、CMC 0.7% 和 PTFE 1.3%。
[0028]堿性電池用管式鎳電極的制備方法如下:(I)用織布機(jī)將聚偏氟乙烯織成具有空管的單管的坯布，單管之間隨著錦綸絲的編織連接在一起形成多管坯布，將多管坯布裁成所需要的尺寸規(guī)格浸入固化劑雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹酯中，晾干后將圓形模芯插入空管中，固化后抽出模芯，經(jīng)修正后得到排管3 ; (2)將活性物質(zhì)4 (氫氧化鎳83%、鎳粉10%、氧化鈷5%、CMC 0.7%和PTFE 1.3%)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%乙醇水溶液在造粒機(jī)中造粒，造粒后的顆粒大小為0.4mm,乙醇水溶液與活性物質(zhì)4的體積比為20% ；(3)取材質(zhì)為鍍鎳鋼的導(dǎo)電基芯2與集電極I 一體結(jié)構(gòu)的部件，將排管3套設(shè)在導(dǎo)電基芯2外并使導(dǎo)電基芯2處于排管3的中心，用灌粉機(jī)將步驟(2)所造的顆粒擠入排管3中壓實(shí)，用扣底將排管3的另一端封閉，其中，排管3由內(nèi)擠壓膨脹所引起的應(yīng)力為7牛頓/厘米；(4)將步驟(3)中所得到的電極基材浸泡在過硫酸鹽、次氯酸鹽水溶液中7小時，即得。
[0029]本發(fā)明排管采用耐堿性強(qiáng)的紡織材料編織固化而成，給正極活性物質(zhì)一個向內(nèi)的應(yīng)力，抵消正極體積變化帶來的負(fù)效應(yīng)，確保鎳電極在使用過程中正極活性物質(zhì)不脫落，延長了電極的使用壽命。
[0030]以上對本發(fā)明做了詳盡的描述，但本發(fā)明不限于上述的實(shí)施例。凡根據(jù)本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種堿性電池用管式鎳電極，其特征在于:包括至少一根的導(dǎo)電基芯(2)、與導(dǎo)電基芯一端相連接的集電極(I)、套設(shè)在導(dǎo)電基芯外的排管(3)，所述排管(3)的一端封閉另一端與所述集電極(I)相抵，所述導(dǎo)電基芯(2)的數(shù)目與所述排管(3)的管數(shù)相同，所述導(dǎo)電基芯(2)與排管(3)之間填充有活性物質(zhì)(4)，堿性電池用管式鎳電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性電池用管式鎳電極，其特征在于:所述的排管(3)由纖維紡織材料編織、經(jīng)固化劑固化定型而成，所述的纖維紡織材料為錦綸絲、丙綸絲、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一種或幾種組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性電池用管式鎳電極，其特征在于:所述的排管(3)的孔隙率> 50%，所述的排管(3)的編織孔徑不大于50微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性電池用管式鎳電極，其特征在于:所述的排管(3)的橫截面形狀為圓形、橢圓形、正方形、長方形、腰形中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性電池用管式鎳電極，其特征在于:所述的導(dǎo)電基芯(2)的材質(zhì)為泡沫鎳、鎳、鍍鎳不銹鋼、鍍鎳鋼中的一種，所述的導(dǎo)電基芯(2)的橫截面形狀為圓形、環(huán)形、星形、方形中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性電池用管式鎳電極，其特征在于:所述的排管(3)的一端由扣底封閉。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的堿性電池用管式鎳電極，其特征在于:所述的扣底為與所述的排管(3)配套的密封扣，所述的密封扣的材質(zhì)為尼龍、聚乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、呋喃樹脂中的一種或幾種組合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性電池用管式鎳電極，其特征在于:所述活性物質(zhì)(4)為含有氫氧化鎳、鎳粉、氧化鈷的混合鎳電極漿料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性電池用管式鎳電極，其特征在于:所述的集電極(I)的材質(zhì)為鎳、鍍鎳不銹鋼、鍍鎳鋼中的一種，所述集電極(I)與所述排管(3)相抵部位的形狀為與所述排管(3)的內(nèi)管相密封配合的形狀。
10.一種如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的堿性電池用管式鎳電極的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: .1、用織布機(jī)將纖維紡織材料織成具有空管的單管的坯布，單管之間隨著纖維紡織材料的編織連接在一起形成多管坯布，將多管坯布裁成所需要的尺寸規(guī)格浸入固化劑，晾干后將模芯插入空管中，固化后抽出模芯，經(jīng)修正后得到排管(3); .2、將活性物質(zhì)(4)用水或乙醇水溶液在造粒機(jī)中造粒，其中，造粒后的顆粒大小不大于0.5mm，水或乙醇水溶液與活性物質(zhì)(4)的體積比不大于20% ； .3、集電極(I)與導(dǎo)電基芯(2)為同材質(zhì)一體結(jié)構(gòu),或者集電極(I)與導(dǎo)電基芯(2)為分體結(jié)構(gòu)并且將二者焊接在一起，將所述排管(3)套設(shè)在導(dǎo)電基芯(2)外并使所述導(dǎo)電基芯(2)處于所述排管(3)中心，用灌粉機(jī)將所述步驟(2)中的所造顆粒擠入所述排管(3)中并壓實(shí)，用扣底將所述排管的另一端封閉，其中，所述排管(3)由內(nèi)擠壓膨脹所引起應(yīng)力不小于5牛頓/厘米； .4、將所述步驟(3)中所得到的電極基材用化學(xué)法活化或電化學(xué)法活化，即得堿性電池用管式鎳電極；其中，化學(xué)法活化為用過硫酸鹽、次氯酸鹽水溶液浸泡所述步驟(3)所得到的電極基材3-10小時；電化學(xué)法活化為將所述步驟(3)所得到的電極基材以0.1-0.5倍率電流充放電3-5 次。
【文檔編號】H01M4/30GK103579584SQ201310560485
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】程杰, 何柯, 徐艷, 文越華, 趙鵬程, 曹高萍, 楊裕生 申請人:張家港智電芳華蓄電研究所有限公司, 中國人民解放軍63971部隊(duì)