CN103311555A - 轴向端面集流的圆柱形锌镍电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向端面集流的圆柱形锌镍电池及其制作方法。它包括正电极、负电极、复合隔膜、正极集流盘、负极集流盘、正极轴向集流端面、负极轴向集流端面、电池壳体、密封绝缘圈、盖帽、排气安全阀；电池壳体底部设有正极集流盘，正极集流盘上设有正极轴向集流端面，正极轴向集流端面与正电极相连，电池壳体上端部设有盖帽并用密封绝缘圈密封，盖帽顶部设有排气安全阀，盖帽下表面设有负极集流盘，负极集流盘与负极轴向集流端面相连，负极轴向集流端面与负电极相连，正电极与负电极间隔平行放置，并用复合隔膜隔离。本发明具有生产工艺简单、耐振动性好、电流分布均匀、大电流放电性能好、可减小负极变形和自放电等优点。

Description

轴向端面集流的圆柱形锌镍电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及电池，尤其涉及一种轴向端面集流的圆柱形锌镍电池及其制作方法。
背景技术
当前，可供使用的电池主要有铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池和锂离子电池。其中铅酸电池和镉镍电池比能量低, 同时铅和镉是有毒金属，对环境有严重的污染，已被世界各国限制生产和使用。氢镍电池工作电压较低，高温时自放电较大，目前只适合做小型工具的动力电源。锂离子电池存在易燃易爆、使用成本太高的缺点。在石油资源日益紧缺，环保要求越趋严峻的情况下，急需开发一种在生产和使用过程对环境不产生污染、使用成本低、安全可靠、循环寿命长的环保绿色电池满足市场需求，同时还要求原材料来源广泛、价廉，制作工艺相对简便而且环保。
锌镍二次电池具有高能量密度，高功率密度，高工作电压，宽工作温度，无记忆效应等特点，是一种绿色环保的高性能二次电池。但由于锌电极在碱性电解液中的溶解和充放电循环过程中，会出现变形以及锌枝晶生长等问题，使得电池使用寿命缩短，阻碍了锌镍电池的发展。
在现有技术中，一般采用镉镍电池或金属氢化物镍电池的制造方法，将负电极与电池壳金属外壳壁和底部接触，或由极耳引出与电池壳焊接；而正电极由一个或多个极耳引出，与有密封绝缘圈的上盖焊接形成正极端。另外，也有将正极电极做的比锌负极长，使得在电池组卷绕后，由正电极与电池金属壳体接触，而负极且由一个或多个极耳引出后焊接在盖帽上形成负极端。这些结构方法均不能使电流密度分配均匀而减少锌电极的变形和枝晶的产生，也不能阻止自放电的减小，且无法大电流放电。另外，生产工艺相对繁琐，可靠性差。
在锌镍电池技术中，充放电时的电流均衡问题是防止电极变形和锌枝晶生长的关键技术之一。另外，可通过采用多层隔膜、在电极中和电解液中添加缓蚀剂等手段来克服枝晶的产生和减少锌电极的变形。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、安全可靠、寿命长、大电流充放电性能好、电流分配均匀的轴向端面集流的圆柱形锌镍电池及其制作方法。
轴向端面集流的圆柱形锌镍电池包括正电极、负电极、复合隔膜、正极集流盘、负极集流盘、正极轴向集流端面、负极轴向集流端面、电池壳体、密封绝缘圈、盖帽、排气安全阀；电池壳体底部设有正极集流盘，正极集流盘上设有正极轴向集流端面，正极轴向集流端面与正电极相连，电池壳体上端部设有盖帽并用密封绝缘圈密封，盖帽顶部设有排气安全阀，盖帽下表面设有负极集流盘，负极集流盘与负极轴向集流端面相连，负极轴向集流端面与负电极相连，正电极与负电极间隔平行放置，并用复合隔膜隔离。
轴向端面集流的圆柱形锌镍电池制作方法为：
正电极、负电极是由正、负集流体材料分别涂覆正、负电极活性物质，经干燥、辊压后，形成带状正电极、负电极，正电极一侧和负电极一侧预留1～3mm宽度未经涂覆的空白带，作为集流带，把复合隔膜、正电极、复合隔膜、负电极交替叠放，并将正、负电极具有集流带的一侧错开180度放置，高出复合隔膜1～3mm，经卷绕后，在外面包覆耐碱绝缘胶带，并把高出于复合隔膜外的螺旋形正、负电极集流带向卷绕轴心方向折压，形成具有正极轴向集流端面和负极轴向集流端面的圆柱形电池组芯，将电池组芯塞入电池壳体后，电池组芯的正极端面与焊接在电池壳体底部的正极集流盘接触，经滚槽、注电解液、压盖帽、进行封口工序后，产生轴向压力，使得正极集流盘与电池组芯正极端面紧密接触，负极集流端面与焊接在有密封绝缘圈和盖帽上的负极弹性集流盘紧密接触，电盖帽上设有排气安全阀和若干个排气小孔，用于防止内部气压过高带来的危害。
所述的正极集流体材料为泡沫镍或镀镍冲孔钢带，负极集流体材料为表面镀有Sn、Zn、Ag、Ti、In、Bi中的一种或几种的铜网。
所述的复合隔膜3由微孔PE或PP薄膜与贮液耐碱无纺布粘接而成，所用粘合剂选用重量比为1～5：1～2：2～10的KOH、CMC和PVA水溶液混合而成，或使用超声波焊机将二层隔膜复合在一起。
所述的正极集流盘是由机械冲出若干小孔、并带有0.2～0.5mm高度毛刺的圆钢片，表面镀有Sn、Ni、Ag、Ti中的一种或几种，负极集流盘是十字翼翅形状的弹性金属片，沿每个翼翅的中心线处的一边向下折弯10～45度角度，形成其边上带有梳齿状的蝶形弹性元件，负极集流盘焊接在带有排气安全阀和密封绝缘圈的盖帽上，盖帽表面镀有Sn、In、Zn、Cu、Ni、Ag中的一种或几种。
所述的正极活性物质组份由重量百比为78～88%的Ni(OH)2、4～8%的石墨、3～8%的CoO、3～5%的PTFE、2～3%的CMC、其余为去离子水组成。
所述的负极活性物质组份由重量百比为55～82%的ZnO、2～10%的金属Zn粉、1～5%的石墨、10～20%的Ca(OH)2、3～5%的PTFE、1～2%的CMC、0.5～1.0%的SnO、0.5～2.0%的Bi2O3、其余为去离子水组成。
所述的电解液的组份为4.5～6mol·L-1的KOH、1.0～3.0mol·L-1的NaOH、 0.4～1.0mol·L-1的LiOH、0.5～3.0mol·L-1的KF，用ZnO饱和的溶液。
本发明的结构具有工艺简单、活性物质中不含汞、镉、铅等有害成分，耐振动性好、电流分布均匀、大电流放电性能好，能有效地减小电池的自放电和枝晶的产生，提高活性物质的利用率。这种采用正极与电池壳相接触，负极与盖帽相连的办法，和经过有添加剂的电解液协同作用，能有效地减小电池的自放电和枝晶的产生，提高了活性物质的利用率，是一种安全可靠、绿色环保的电池，能满足低成本商品化应用的要求。
附图说明
图1是轴向端面集流的圆柱形锌镍电池结构示意图；
图2是本发明的正极集流盘结构示意图；
图3(a)是本发明的负极集流盘结构正视图；
图3(b)是本发明的负极集流盘结构侧视图；
图3(c)是本发明的负极集流盘结构三维图；
 图4是本发明的电池实际放电曲线图。
具体实施方式
如图1～3所示，轴向端面集流的圆柱形锌镍电池包括正电极1、负电极2、复合隔膜3、正极集流盘4、负极集流盘5、正极轴向集流端面6、负极轴向集流端面7、电池壳体8、密封绝缘圈9、盖帽10、排气安全阀11；电池壳体8底部设有正极集流盘4，正极集流盘4上设有正极轴向集流端面6，正极轴向集流端面6与正电极1相连，电池壳体8上端部设有盖帽10并用密封绝缘圈9密封，盖帽10顶部设有排气安全阀11，盖帽10下表面设有负极集流盘5，负极集流盘5与负极轴向集流端面7相连，负极轴向集流端面7与负电极2相连，正电极1与负电极2间隔平行放置，并用复合隔膜3隔离。
轴向端面集流的圆柱形锌镍电池制作方法为：
正电极1、负电极2是由正、负集流体材料分别涂覆正、负电极活性物质，经干燥、辊压后，形成带状正电极、负电极，正电极一侧和负电极一侧预留1～3mm宽度未经涂覆的空白带，作为集流带，把复合隔膜3、正电极1、复合隔膜3、负电极2交替叠放，并将正、负电极具有集流带的一侧错开180度放置，高出复合隔膜1～3mm，经卷绕后，在外面包覆耐碱绝缘胶带，并把高出于复合隔膜3外的螺旋形正、负电极集流带向卷绕轴心方向折压，形成具有正极轴向集流端面6和负极轴向集流端面7的圆柱形电池组芯，将电池组芯塞入电池壳体8后，电池组芯的正极端面6与焊接在电池壳体8底部的正极集流盘4接触，经滚槽、注电解液、压盖帽10、进行封口工序后，产生轴向压力，使得正极集流盘4与电池组芯正极端面6紧密接触，负极集流端面7与焊接在有密封绝缘圈9和盖帽10上的负极弹性集流盘5紧密接触，电盖帽10上设有排气安全阀11和若干个排气小孔，用于防止内部气压过高带来的危害。
所述的正极集流体材料为泡沫镍或镀镍冲孔钢带，负极集流体材料为表面镀有Sn、Zn、Ag、Ti、In、Bi中的一种或几种的铜网。
所述的复合隔膜3由微孔PE或PP薄膜与贮液耐碱无纺布粘接而成，所用粘合剂选用重量比为1～5：1～2：2～10的KOH、CMC和PVA水溶液混合而成，或使用超声波焊机将二层隔膜复合在一起。
所述的正极集流盘4是由机械冲出若干小孔、并带有0.2～0.5mm高度毛刺的圆钢片，表面镀有Sn、Ni、Ag、Ti中的一种或几种，负极集流盘5是十字翼翅形状的弹性金属片，沿每个翼翅的中心线处的一边向下折弯10～45度角度，形成其边上带有梳齿状的蝶形弹性元件，负极集流盘5焊接在带有排气安全阀11和密封绝缘圈9的盖帽10上，盖帽表面镀有Sn、In、Zn、Cu、Ni、Ag中的一种或几种。
所述的正极活性物质组份由重量百比为78～88%的Ni(OH)2、4～8%的石墨、3～8%的CoO、3～5%的PTFE、2～3%的CMC、其余为去离子水组成。
所述的负极活性物质组份由重量百比为55～82%的ZnO、2～10%的金属Zn粉、1～5%的石墨、10～20%的Ca(OH)2、3～5%的PTFE、1～2%的CMC、0.5～1.0%的SnO、0.5～2.0%的Bi2O3、其余为去离子水组成。
所述的电解液的组份为4.5～6mol·L-1的KOH、1.0～3.0mol·L-1的NaOH、 0.4～1.0mol·L-1的LiOH、0.5～3.0mol·L-1的KF，用ZnO饱和的溶液。
实施例
按上述实施方式设计7Ah样品电池。其中正极活性物质Ni(OH)2的电化当量以0.289mAh·g-1、冗余量为1.1～1.3倍、效率按95%计算。负极活性物质ZnO的电化当量以0.658 mAh·g-1、 金属Zn粉的电化当量以0.820mAh·g-1 ，冗余量为正极容量限制的2.0～3.0倍，效率按70%计算。加入的电解液量为20±2.0g。用0.2C电流充电7h、0.2C电流放电至1.40V止为一个化成阶段，经3个化成阶段后，以0.2C的电流、限压2.05V充电7h，然后用1.0C电流放电至1.20V止时的容量为8.06Ah。放电曲线图中显示，设计容量的放电工作电压平台在1.60V左右,有较好的功率密度和活性物质利用率（图4）。

Claims (8)

1.一种轴向端面集流的圆柱形锌镍电池，其特征在于包括正电极(1)、负电极(2)、复合隔膜(3)、正极集流盘(4)、负极集流盘(5)、正极轴向集流端面(6)、负极轴向集流端面(7)、电池壳体(8)、密封绝缘圈(9)、盖帽(10)、排气安全阀(11)；电池壳体(8)底部设有正极集流盘(4)，正极集流盘(4)上设有正极轴向集流端面(6)，正极轴向集流端面(6)与正电极(1)相连，电池壳体(8)上端部设有盖帽(10)并用密封绝缘圈(9)密封，盖帽(10)顶部设有排气安全阀(11)，盖帽(10)下表面设有负极集流盘(5)，负极集流盘(5)与负极轴向集流端面(7)相连，负极轴向集流端面(7)与负电极(2)相连，正电极(1)与负电极(2)间隔平行放置，并用复合隔膜(3)隔离。
2.一种如权利要求1所述轴向端面集流的圆柱形锌镍电池制作方法，其特征在于：正电极(1)、负电极(2)是由正、负集流体材料分别涂覆正、负电极活性物质，经干燥、辊压后，形成带状正电极、负电极，正电极一侧和负电极一侧预留1～3mm宽度未经涂覆的空白带，作为集流带，把复合隔膜(3)、正电极(1)、复合隔膜(3)、负电极(2)交替叠放，并将正、负电极具有集流带的一侧错开180度放置，高出复合隔膜1～3mm，经卷绕后，在外面包覆耐碱绝缘胶带，并把高出于复合隔膜(3)外的螺旋形正、负电极集流带向卷绕轴心方向折压，形成具有正极轴向集流端面(6)和负极轴向集流端面(7)的圆柱形电池组芯，将电池组芯塞入电池壳体(8)后，电池组芯的正极端面(6)与焊接在电池壳体(8)底部的正极集流盘(4)接触，经滚槽、注电解液、压盖帽(10)、进行封口工序后，产生轴向压力，使得正极集流盘(4)与电池组芯正极端面(6)紧密接触，负极集流端面(7)与焊接在有密封绝缘圈(9)和盖帽(10)上的负极弹性集流盘(5)紧密接触，盖帽(10)上设有排气安全阀(11)和若干个排气小孔，用于防止内部气压过高带来的危害。
3.如权利要求2所述的一种轴向端面集流的圆柱形锌镍电池制作方法，其特征在于所述的正极集流体材料为泡沫镍或镀镍冲孔钢带，负极集流体材料为表面镀有Sn、Zn、Ag、Ti、In、Bi中的一种或几种的铜网。
4.如权利要求2所述的一种轴向端面集流的圆柱形锌镍电池制作方法，其特征在于所述的复合隔膜(3)由微孔PE或PP薄膜与贮液耐碱无纺布粘接而成，所用粘合剂选用重量比为1～5：1～2：2～10的KOH、CMC和PVA水溶液混合而成，或使用超声波焊机将二层隔膜复合在一起。
5.如权利要求2所述的一种轴向端面集流的圆柱形锌镍电池制作方法，其特征在于所述的正极集流盘(4)是由机械冲出若干小孔、并带有0.2～0.5mm高度毛刺的圆钢片，表面镀有Sn、Ni、Ag、Ti中的一种或几种，负极集流盘(5)是十字翼翅形状的弹性金属片，沿每个翼翅的中心线处的一边向下折弯10～45度角度，形成其边上带有梳齿状的蝶形弹性元件，负极集流盘(5)焊接在带有排气安全阀(11)和密封绝缘圈(9)的盖帽(10)上，盖帽表面镀有Sn、In、Zn、Cu、Ni、Ag中的一种或几种。
6.如权利要求2所述的一种轴向端面集流的圆柱形锌镍电池制作方法，其特征在于所述的正极活性物质组份由重量百比为78～88%的Ni(OH)2、4～8%的石墨、3～8%的CoO、3～5%的PTFE、2～3%的CMC、其余为去离子水组成。
7.如权利要求2所述的一种轴向端面集流的圆柱形锌镍电池制作方法，其特征在于所述的负极活性物质组份由重量百比为55～82%的ZnO、2～10%的金属Zn粉、1～5%的石墨、10～20%的Ca(OH)2、3～5%的PTFE、1～2%的CMC、0.5～1.0%的SnO、0.5～2.0%的Bi2O3、其余为去离子水组成。
8.如权利要求2所述的一种轴向端面集流的圆柱形锌镍电池制作方法，其特征在于所述的电解液的组份为4.5～6mol·L-1  的KOH、1.0～3.0mol·L-1的NaOH、 0.4～1.0mol·L-1的LiOH、0.5～3.0mol·L-1的KF，用ZnO饱和的溶液。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130918