CN101789528B

CN101789528B - 一种圆柱形镍氢电池

Info

Publication number: CN101789528B
Application number: CN2010101143076A
Authority: CN
Inventors: 华阳阳; 叶海燕; 李静; 周环波; 詹炳然; 詹金俊; 林定文; 胡辉
Original assignee: XIAOGAN COLLEGE; Guangzhou Wintonic Battery & Magnet Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Wintonic Battery & Magnet Co ltd; State Grid Corp of China SGCC; Hubei Engineering University; Xiaogan Power Supply Co of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: CN101789528A

Abstract

本发明公开了一种圆柱形镍氢电池，电池壳由电池外壳、电池内壳、聚乙烯泡沫隔热材料和连接柱构成，电池外壳、电池内壳为同心柱状不锈钢质材料制成圆筒体，电池外壳与电池内壳的底部由连接柱通过激光焊接，电池外壳、电池内壳上部边缘采用激光焊接，电池帽由不锈钢质体及填充的聚乙烯泡沫隔热材料、安全气孔及注泡沫孔密封螺丝构成，碳质圆柱形电池支撑体由圆柱形电池支撑体、电池电芯由正极极片、负极极片及聚乙烯无纺布隔膜组成，自下而上负极极片、聚乙烯无纺布隔膜、正极极片重叠，从内到外正极极片、聚乙烯无纺布隔膜、负极极片卷绕。本发明在较高温度、较低温度及颠簸等较为恶劣的环境条件下正常工作，充放电循环使用寿命均超过500次。

Description

一种圆柱形镍氢电池

技术领域

本发明涉及电池制造领域，具体是一种圆柱形镍氢电池。本发明技术制造的一种圆柱形镍氢电池可应用为航空、航天领域、极地、外力作用较强、颠簸、震动等较为恶劣环境条件下的各种电器设备的动力电源。

背景技术

目前，现有工业所用的圆柱形镍氢电池一般为镀镍钢质或者不锈钢质的单层电池壳、镀镍钢质或者不锈钢质单层电池帽；电芯为从内到外正极片、隔膜、负极片的顺序卷绕而成。由单层电池壳、单层电池帽所制造的电池，因钢质电池壳具有良好的导热性能，电池在较高、较低温的环境条件下很容易与环境温度达到近似一致或者相同，从而使电池在高温(高于60℃)或者低温(低于-40℃)条件下工作状态极不稳定，或者由于环境温度极低完全无法工作、甚至由于温度较高而发生***等事故。因此，现有电池大多只能在常规温度条件下工作，而在较高的温度或者较低的温度等极端条件下无法正常工作，或者无法工作，能正常工作也会由于温度环境较为恶劣而缩短电池的循环寿命较短，甚至由于温度环境影响而发生***或完全失去电池效率，电池的实际充放电循环使用寿命一般都不超过300次。现有圆柱形电池由卷绕方式制作的电池电芯，由于电池正极片、负极片的反弹作用力以及电池在颠簸等受力条件下使用而会松动，使得电池正极片、隔膜、负极片之间接触不够紧密，在电池电芯的中心总会留下一定的松动的空间，电池电芯极片的松动会导致电池内阻增加、脱粉，可能引起电池内部微短路、容量降低，从而影响电池综合电化学性能如充放电效率、容量、工作电压、循环使用寿命等。

发明内容

为了解决现有电池生产技术生产的电池所存在的上述问题，本实发明提供一种能够用技术方案生产的圆柱形镍氢电池，在较高的温度(高于65℃以上)或者较低的温度(低于-45℃)等极端温度环境条件下，以及颠簸、震动等外力作用较强等恶劣的工作环境条件下能够正常使用。

本发明就是通过下述技术方案予以实现的：所述一种圆柱形镍氢电池主要包括电池壳(图1)、电池电芯(图1)、电池帽(图1)、碳质圆柱形电池支撑体(图1)等四个主要部分构成；还包括使电池能够正常工作所需的KOH电解液，以及提高电池性能和工作效率及安全性能的第一、第二电极导电极耳、绝缘密封圈、第一、第二绝缘垫圈等附件(图6)。

进一步，本发明包括如下内容：

所述的一种圆柱形镍氢电池，其特征在于，所述的电池壳由四个部分：镀镍钢质或不锈钢质的电池外壳(图1)、镀镍钢质或不锈钢质的电池内壳(图1)、聚乙烯泡沫或者石棉隔热材料(图1)和镀镍钢质或不锈钢质的连接柱(图2b)等部分构成；所述的电池外壳、电池内壳为同心柱状钢质或者镀镍钢质材料制成圆筒体，填充在电池外壳与电池内壳之间的聚乙烯泡沫或者石棉隔热材料以及连接电池内壳及电池外壳底部的镀镍钢质或不锈钢质的连接支撑柱(图2)等部分构成；所述的电池外壳与电池内壳的底部由镀镍钢质或者不锈钢质的多孔连接柱通过激光焊接或点焊而成为一体(图2)。

所述的一种圆柱形镍氢电池，其特征在于：所述电池帽由镀镍钢质或不锈钢体(图4)及内部填充的聚乙烯泡沫隔热材料(图4)、安全气孔(图4)及注泡沫孔密封螺丝(图4)等四个部分构成。

所述的一种圆柱形镍氢电池，其特征在于：所述的电池电芯由电池正极极片、电池负极极片及聚乙烯无纺布隔膜(图1)等三个部分按照自下而上电池负极极片、聚乙烯无纺布隔膜、电池正极极片的顺序重叠、从内到外电池正极极片、聚乙烯无纺布隔膜、电池负极极片的顺序，即负极极片包正极极片的方式卷绕而成(图7)；所述电池电芯的正极极片由氢氧化镍或羟基氧化镍/高铁酸钾复合材料为正极活性物质，按一定正极活性物质质量百分比3～5％比例混合的石墨导电剂、0.1～1％聚四氟乙烯粘结剂、5～25％的羧甲基纤维素钠(CMC)增稠剂及5～35％的去离子水制作成浆料，再按照一般镍氢电池正极片制造上浆工艺，即以泡沫镍为集流体，经正极上浆料到泡沫镍集流体上、干燥、、切片、点焊正极导电极耳、揉片等工序制作成正极片(镍氢电池制造领域公知的工艺)。

所述的一种圆柱形镍氢电池，其特征在于：所述的圆柱形电池支撑体由碳质圆柱形体(图5)、圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分(图5)等两个部分压制而成。

所述的一种圆柱形镍氢电池，其特征在于：所述的圆柱形镍氢电池有如下结构：卷绕的电池电芯置入电池壳中、点焊负极极耳与电池壳底部相连接、置入支撑体绝缘垫片、加注浓度为3～6M氢氧化钾电解液、***圆柱形电池支撑体、置入绝缘垫圈、加绝缘密封圈、点焊正极极耳及圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分与电池帽相连接，压帽、封口、从注泡沫孔注入隔热支撑泡沫、安装注泡沫孔密封螺丝。

采用本发明的技术方案，可以取得如下明显的效果：用本发明技术方案生产的一种圆柱形镍氢电池，由于采用填充有聚乙烯泡沫或石棉等保温隔热材料的双层电池壳，隔热良好的专用电池帽，以及隔热较好的隔热支撑隔热泡沫，底部有一个支撑导电柱连接内外层电池壳，从而有效地解决电池极端温度环境条件下不能正常工作、或失效、或***等安全问题；并且由于在卷绕电池电芯中间置入了圆柱形电池专用支撑体，使得电池电芯更加紧密，不易松动，从而能有效地降低电池内阻，减少脱粉短路的可能性，进一步提高电池活性材料的使用效率及电池电化学性能；此外，由于使用了羟基氧化镍/高铁酸钾复合材料为正极活性物质，使得生产的镍氢电池循环寿命进一步提高。

本发明所制造的镍氢电池不经能够在较高温度、较低温度及颠簸等较为恶劣的环境条件下正常工作，而且充放电循环使用寿命均超过500次(见实施例)。

如上所述，可以更好地实现本发明。

本发明适用于各种类型、各种型号的圆柱形镍氢电池。

附图说明

图1为本发明具体实施例的电池四个主要部分的结构剖视示意图(1-电池壳、2-电池电芯、3-电池帽、4-圆柱形电池支撑体)；

图2a为本发明具体实施例的电池壳立体示意图(1a-电池外壳、1c-电池内壳)；

图2b为本发明具体实施例的电池壳剖视示意图(1a-电池外壳、1c-电池内壳、1b-隔热材料、1d-连接柱，连接柱为多孔圆柱形连接支撑柱，)；

图3a为本发明具体实施例的连接柱立体示意图；

图3b为本发明具体实施例的连接柱剖视示意图；

图4a为本发明具体实施例的电池帽剖视示意图(3a-镀镍钢质或不锈钢质体、3b-聚乙烯泡沫隔热材料、3c-安全气孔、3d-注泡沫孔密封螺丝)；

图4b为本发明具体实施例的电池帽立体示意图(3a-镀镍钢质或不锈钢质体、3b-聚乙烯泡沫隔热材料、3c-安全气孔、3d-注泡沫孔密封螺丝)；

图5a为本发明具体实施例的圆柱形电池支撑体立体示意图(4a-碳质圆柱形体、4b-圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分)；

图5b为本发明具体实施例的圆柱形电池支撑体剖面视示意图(4a-碳质圆柱形体、4b-镀镍钢网或不锈钢网)；

图6为本发明具体实施例的耐温电池完整结构示意图(1a-电池外壳、1b-聚乙烯泡沫或石棉隔热层、1c-电池内壳、2a-正极极片、2b-负极极片、2c-聚乙烯无纺布隔膜、3-电池帽、4a-圆柱形电池支撑体、4b-圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分、5-正极极耳、6-负极极耳、1d-连接柱、7-支撑体绝缘垫片、8-绝缘垫圈、3d-注泡沫孔密封螺丝、3b-聚乙烯泡沫隔热材料、3c-安全气孔、9-填充的聚乙烯泡沫、10-绝缘密封圈)；

图7为本发明具体实施例的电池电芯2卷绕方式示意图(5-正极极耳、6-负极极耳、2a-正极极片、2c-聚乙烯无纺布隔膜、2b-负极极片)

具体实施方式

下面结合附图1～附图7和具体实施例，对本发明专利作进一步的详细描述。

实施例1：如图6所示，为本发明具体实施例的一种圆柱形镍氢电池的剖面图。

一种圆柱形镍氢电池主要包括电池壳1(图1)、电池电芯2(图1)、电池帽3(图1)、电池支撑体4(图1)等四个主要部分构成；还包括使电池能够正常工作所需的氢氧化钾电解液，以及提高电池性能和工作效率及安全性能的正极极耳5、负极极耳6、绝缘密封圈10、支撑体绝缘垫片7、绝缘垫圈8等部件。

电池壳2由四个部分：不锈钢质的电池外壳1a(图1)、不锈钢质的电池内壳1c(图1)、聚乙烯泡沫隔热材料1b(图1)和不锈钢质的连接柱1d(图2b)等部分构成；电池外壳1a、电池内壳1c为同心柱状不锈钢质材料制成圆筒体，电池外壳1a与电池内壳1c的底部由不锈钢质的连接柱1d通过激光焊接或点焊而成为一体(图2)；电池外壳1a、电池内壳1c上部边缘采用激光焊接为一体。电池帽3由不锈钢质体3a(图4)及内部填充的聚乙烯泡沫隔热材料3b(图4)、三安全气孔3c(图4)及注泡沫孔密封螺丝3d(图4)等四个部分构成；碳质圆柱形电池支撑体4由圆柱形电池支撑体(碳质圆柱形体)4a、不锈钢网4b两个部分压制而成；电池电芯2由正极极片2a、负极极片2b及聚乙烯无纺布隔膜2c(图1)等三个组成，按照自下而上负极极片2b、聚乙烯无纺布隔膜2c、正极极片2a的顺序重叠、按照从内到外正极极片2a、聚乙烯无纺布隔膜2c、负极极片2b的顺序，即负极极片包正极极片的方式卷绕而成(图7)。

本实施例的一种镍氢电池的电池电芯2的正极极片2a(图7)有如下结构：以氢氧化镍为正极活性物质，将氢氧化镍活性物质与占氢氧化镍质量百分比3％的石墨导电剂、0.1％的聚四氟乙烯粘结剂、15％的羧甲基纤维素钠(CMC)增稠剂以及15％的去离子水混合制作成浆料(根据氢氧化镍量确定其他物质的量，任意调配，不需要100％)。一种耐温圆柱形镍氢电池的结构，再按照一般镍氢电池正极片制造上浆工艺，即以泡沫镍为集流体，按镍氢电池制造领域公知的工艺即：经上浆到泡沫镍集流体上、干燥、滚压、切片、点焊导电极耳4与电池壳底部连接、揉片等工序制作成正极片。

本实施例的镍氢电池(图6)有如下结构：将卷绕成圆柱体形的电池电芯2置入电池壳1中、点焊负极极耳6与电池壳1底部相连接、加注3M的KOH电解液、放置支撑体绝缘垫片7、***碳质圆柱形电池支撑体4、放置绝缘垫圈8、加绝缘密封圈10、点焊正极极耳5及碳质圆柱形电池支撑体4的圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分4b与电池帽3相连接、压电池帽、封口而成。注入聚乙烯隔热支撑泡沫9(图6)、安装注泡沫孔密封螺丝3d(图6)。所述的电池外壳1a、电池内壳1c之间由聚乙烯泡沫或石棉隔热材料填充。

以上制造的以氢氧化镍为正极活性材料的镍氢电池，在高于65℃的温度条件下的放电效率最高达到94.8％；在工作环境温度为68℃、连续震动的测试条件下电池的循环寿命(放电效率小于50％时或者容量小于设计容量的50％时)大于508次；在低于-45℃条件下的放电效率最高达到97.2％；在工作温度环境为-50℃温度环境条件下电池的循环寿命(放电效率小于60％时或者容量小于设计容量的60％时)最高达到557次。

实施例2：如图6所示，为本发明具体实施例的一种圆柱形镍氢电池的剖面图。

电池壳2由四个部分：镀镍钢质的电池外壳1a(图1)、镀镍钢质的电池内壳1c(图1)、聚乙烯泡沫隔热层1b(图1)和镀镍钢质的连接柱1d(图2b)等部分构成；电池外壳1a、电池内壳1c为同心柱状镀镍钢质材料制成圆筒体，电池外壳1a与电池内壳1c的底部由镀镍钢质的连接柱1d通过激光焊接或点焊而成为一体(图2)；电池外壳1a、电池内壳1c上部边缘采用激光焊接为一体。电池帽3由镀镍钢质体3a(图4)及内部填充的聚乙烯泡沫隔热材料3b(图4)、安全气孔3c(图4)及注泡沫孔密封螺丝3d(图4)等四个部分构成；碳质圆柱形电池支撑体4由碳质圆柱形体4a、镀镍钢网4b两个部分压制而成；电池电芯2由正极极片2a、负极极片2b及聚乙烯无纺布隔膜2c(图1)等三个部分，按照自下而上负极极片2b、聚乙烯无纺布隔膜2c、正极极片2a的顺序重叠、按照从内到外正极极片2a、聚乙烯无纺布隔膜2c、负极极片2b的顺序，即负极极片包正极极片的方式卷绕而成(图7)。

本实施例的一种镍氢电池的电池电芯2的正极极片2a(图7)按照如下工艺制造：以羟基氧化镍/高铁酸钾复合材料为正极活性物质，以羟基氧化镍/高铁酸钾复合材料为正极活性物质与占以羟基氧化镍/高铁酸钾复合材料为正极活性物质的质量百分比4％的比例石墨导电剂、0.5％的聚四氟乙烯粘结剂、20％的羧甲基纤维素钠(CMC)增稠剂以及20％的去离子水混合制作成浆料。一种耐温圆柱形镍氢电池的结构，再按照一般镍氢电池正极片制造上浆工艺，即以泡沫镍为集流体，按镍氢电池制造领域公知的工艺即：经上浆到泡沫镍集流体上、干燥、滚压、切片、点焊正极极耳5与电池壳1底部连接、揉片等工序制作成正极片。

本实施例的镍氢电池(图6)按照如下方法、步骤制造而成：将卷绕成圆柱体形的电池电芯2置入电池壳1中、点焊负极极耳6与电池壳1底部相连接、放置支撑体绝缘垫片7、加注5M的KOH电解液、***碳质圆柱形电池支撑体 4、放置绝缘垫圈8、加绝缘密封圈10、点焊正极极耳5及碳质圆柱形电池支撑体4的圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分4b与电池帽3相连接、压电池帽、封口而成。

以上述方法制造的以氢氧化镍为正极活性材料的镍氢电池，在高于65℃的温度条件下的放电效率最高达到98.3％；在工作环境温度为68℃、连续震动的测试条件下电池的循环寿命(放电效率小于50％时或者容量小于设计容量的50％时)大于503次；在低于-50℃条件下的放电效率最高达到95.9％；在工作环境温度为-46℃、连续震动的测试条件下电池的循环寿命(放电效率小于60％时或者容量小于设计容量的60％时)最高达到566次。

实施例3：如图6所示，为本发明具体实施例的一种圆柱形镍氢电池的剖面图。

电池壳2由四个部分：镀镍钢质的电池外壳1a(图1)、镀镍钢质的电池内壳1c(图1)、聚乙烯泡沫隔热层(石棉隔热层)1b(图1)和镀镍钢质的连接柱1d(图2b)等部分构成；电池外壳1a、电池内壳1c为同心柱状镀镍钢质材料制成圆筒体，电池外壳1a与电池内壳1c的底部由镀镍钢质的连接柱1d通过激光焊接或点焊而成为一体(图2)；电池外壳1a、电池内壳1c上部边缘采用激光焊接为一体。电池帽3由镀镍钢质体3a(图4)及内部填充的聚乙烯泡沫隔热材料3b(图4)、安全气孔3c(图4)及注泡沫孔密封螺丝3d(图4)等四个部分构成；碳质圆柱形电池支撑体立体4由圆柱形电池支撑体(碳质圆柱形体)4a、圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分4b两个部分压制而成；电池电芯2由正极极片2a、负极极片2b及聚乙烯无纺布隔膜2c(图1)等三个部分，按照自下而上负极极片2b、聚乙烯无纺布隔膜2c、正极极片2a的顺序重叠、按照从内到外正极极片2a、聚乙烯无纺布隔膜2c、负极极片2b的顺序，即负极极片包正极极片的方式卷绕而成(图7)。

本实施例的一种镍氢电池的电池电芯2的正极极片2a(图7)按照如下工艺制造：以羟基氧化镍/高铁酸钾复合材料为正极活性物质，羟基氧化镍/高铁酸钾复合材料为正极活性物质与占以羟基氧化镍/高铁酸钾复合材料为正极活性物质的质量百分比5％的比例石墨导电剂、1％的聚四氟乙烯粘结剂、25％的羧甲基纤维素钠(CMC)增稠剂以及35％的去离子水混合制作成浆料。一种耐温圆柱形镍氢电池的结构，再按照一般镍氢电池正极片制造上浆工艺，即以泡沫镍为集流体，按镍氢电池制造领域公知的工艺即：经上浆到泡沫镍集流体上、干燥、滚压、切片、点焊导电极耳5与电池壳底部连接、揉片等工序制作成正极片。

本实施例的镍氢电池(图6)按照如下方法、步骤制造而成：将卷绕成圆柱体形的电池电芯2置入电池壳1中、点焊负极极耳6与电池壳2底部相连接、放置支撑体绝缘垫片7、加注6M的KOH电解液、***碳质圆柱形电池支撑体4、放置绝缘垫圈8、加绝缘密封圈10、点焊正极导电极耳5及碳质圆柱形电池支撑体4的第二圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分4b与电池帽3相连接、压电池帽、封口而成。

以上述方法制造的以氢氧化镍为正极活性材料的镍氢电池，在工作环境温度为68℃、连续震动的测试条件下的放电效率最高达到94.9％；在工作环境温度为70℃、连续震动的条件下测试电池的循环寿命(放电效率小于50％时或者容量小于设计容量的50％时)大于502次；在在工作环境温度为-65℃、连续震动的测试条件下，电池的放电效率最高达到94.4％，的循环寿命(放电效率小于60％时或者容量小于设计容量的60％时)最高达到547次。

如上所述可以更好地实现本发明。

然而，以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的范围，所有运用本发明说明书内容所进行的等效变化，均同样包含在本发明的范围内。

Claims

1.一种圆柱形镍氢电池，包括电池壳(1)、电池电芯(2)、电池帽(3)、电池支撑体(4)，其特征在于：电池壳(1)由电池外壳(1a)、电池内壳(1c)、隔热材料聚乙烯泡沫或石棉(1b)和连接柱(1d)构成，电池外壳(1a)、电池内壳(1c)为同心柱状不锈钢质材料制成圆筒体，电池外壳(1a)与电池内壳(1c)的底部由连接柱(1d)通过激光焊接或点焊为一体，电池外壳(1a)和电池内壳(1c)之间填充隔热材料聚乙烯泡沫或石棉(1b)，电池外壳(1a)、电池内壳(1c)上部边缘采用激光焊接为一体，电池帽(3)由不锈钢质体(3a)及填充的聚乙烯泡沫隔热材料(3b)、安全气孔(3c)及注泡沫孔密封螺丝(3d)构成，电池支撑体(4)由碳质圆柱形电池支撑体(4a)、圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分(4b)压制而成，电池电芯(2)由正极极片(2a)、负极极片(2b)及聚乙烯无纺布隔膜(2c)组成，自下而上负极极片(2b)、聚乙烯无纺布隔膜(2c)、正极极片(2a)的顺序重叠，从内到外正极极片(2a)、聚乙烯无纺布隔膜(2c)、负极极片(2b)的顺序卷绕。

2.根据权利要求1所述的一种圆柱形镍氢电池，其特征在于：所述的电池电芯(2)置入电池壳(1)中，点焊负极极耳(6)与电池壳(1)底部连接，置入支撑体绝缘垫片(7)，加注浓度为3～6M氢氧化钾电解液，***圆柱形电池支撑体(4)，置入绝缘垫圈(8)，加绝缘密封圈(10)，点焊正极极耳(5)及圆柱形电池支撑体镀镍钢网或不锈钢网露出部分(4b)与电池帽(3)连接，压帽、封口，从注泡沫孔注入隔热支撑泡沫(9)，安装注泡沫孔密封螺丝(3d)。