CN103647053B - 一种镍电极表面制备三氧化铝涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镍电极表面制备三氧化铝涂层的方法，利用热处理的方法在镍电极表面生成预制膜层，并且硝酸铝在酒精中形成的特殊胶团粒子的具有较强的吸附性能，能够吸附在预制膜层的表面，从而在镍电极表面形成完整的阻挡层。本发明采用预制膜层和阴极微弧氧化相结合的方法，将带有预制膜层的镍电极置于硝酸铝为基础的酒精溶液中作为阴极，通过微弧氧化的技术手段处理，最终在镍电极表面形成三氧化铝膜层。本发明制备的三氧化铝涂层与镍电极基体具有很高的结合强度和优异的抗腐蚀性能，缓解了活性物质因镍电极的腐蚀膨胀而导致的松散、脱落等问题，延长了电池的使用寿命，降低其生产成本，从而对镍氢电池的推广具有很好的积极作用。

Description

一种镍电极表面制备三氧化铝涂层的方法
技术领域
本发明属于镍氢电池镍电极的保护处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种镍电极表面制备三氧化铝的方法。
背景技术
镍氢电池（NIMH）是现代电子产品中使用最为广泛的绿色环保电池之一，它具有比能量密度高、单体容量大、放电特性平稳、通用性强等优点。但相比于镍镉电池，镍氢的电池的价格又要高很多，因而如何降低镍氢电池的损耗，延长其使用寿命，对于镍氢电池的推广具非常现实的意义。
镍氢电池在使用过程中性能会逐渐的衰减，而引起电池失效的原因众多。在实际应用中，镍氢电池的镍电极的腐蚀膨胀是导致镍氢电池失效的一种比较常见的原因。
由于镍氢电池的内部是一个碱性环境，镍氢电池在充放电过程中，表面活性物质发生一系列化学物理变化，腐蚀液渗透到金属镍电极表面，引起镍电极的腐蚀而膨胀，导致表面活性物质粉末松散、脱落或接触不好，使得内阻升高，电池容量下降，电池的容量损失和电池寿命的缩短，最终使电池过早的失效。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的镍氢电池中因镍电极被腐蚀所导致的的电池容量的损失和寿命缩短的状况，提供一种镍电极表面制备三氧化铝涂层的方法，以增强镍电极在镍氢电池电解液中的抗腐蚀能力，防止表面活性物质的脱落，从而延长镍氢电池的使用寿命。
为实现以上目的，本发明镍电极表面制备三氧化铝涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、将镍电极用砂纸打磨除去表面的氧化层后放入丙酮中超声清洗3min～10min；
（2）、将步骤（1）处理后的镍电极，于大气环境中置于200℃～600℃的环境中加热3h～9h，生成预制膜层；
（3）、按硝酸铝浓度为10g/L～30g/L和添加剂浓度为0.5g/L～10g/L溶于酒精中配置电解液；
（4）、将经步骤（2）处理后的镍电极放入装有步骤（3）配制电解液的不锈钢槽体中，以金属镍做阴极、不锈钢槽体为阳极，采用脉冲微弧氧化电源供电，进行微弧氧化处理，即可在镍电极表面制备出三氧化铝涂层。
其中，步骤（3）中所述添加剂为硝酸铈、硝酸钇、硝酸铒中的一种或其中几种的组合。
本发明的目的是这样实现的：
微弧氧化技术是一种在阀金属及其合金表面原位生长陶瓷涂层的技术。微弧氧化过程中，将Al，Mg，Ti等阀金属样品放入电解液中，通电后在金属表面会立即生成很薄的一层阻挡层，而形成完整的绝缘膜是进行微弧氧化处理的必要条件。然后金属镍在微弧氧化过程中往往很难生成完整的阻挡层。
本发明镍电极表面制备三氧化铝涂层的方法，利用热处理的方法在镍电极表面生成预制膜层，并且硝酸铝在酒精中形成的特殊胶团粒子的具有较强的吸附性能，能够吸附在预制膜层的表面，从而在镍电极表面形成完整的阻挡层。本发明采用预制膜层和阴极微弧氧化相结合的方法，将带有预制膜层的镍电极置于硝酸铝为基础的酒精溶液中作为阴极，通过微弧氧化的技术手段处理，在电化学、热化学、等离子体化学的共同作用下发生反应，最终在镍电极表面形成三氧化铝膜层。本发明制备的三氧化铝涂层与镍电极基体具有很高的结合强度和优异的抗腐蚀性能，缓解了活性物质因镍电极的腐蚀膨胀而导致的松散、脱落等问题，延长了电池的使用寿命，降低其生产成本，从而对镍氢电池的推广具有很好的积极作用。
附图说明
图1是实施例1制备三氧化铝涂层的X射线衍射图；
图2是实施例1制备三氧化铝涂层的表面扫描电镜图；
图3是实施例1制备三氧化铝涂层的截面扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例1
在本实施例中，本发明镍电极表面制备三氧化铝涂层的方法包括以下步骤：
（1）、先将镍电极（镍质量含量大于99%的纯镍）的表面用2000号砂纸打磨去掉表面的氧化层，然后放入丙酮中超声清洗5min；
（2）、将处理后的镍电极置于空气中，利用马弗炉加热到300℃，保温6h，制备预制膜层；
（3）、按硝酸铝浓度为20g/L和硝酸铈浓度为1g/L称取硝酸铝和硝酸铈，溶于无水乙醇中，得到电解液；
（4）、将经步骤（2）处理的镍电极放入装有步骤（3）配制电解液的不锈钢槽体中，以金属镍做阴极、不锈钢槽体为阳极，采用脉冲微弧氧化电源供电，进行微弧氧化处理在镍电极表面制备出三氧化铝涂层。
微弧氧化处理为在脉冲电压为300V～600V、频率为50Hz～2000Hz、占空比为10%～45%、电解液温度为20℃～40℃的条件下氧化10min～90min，在镍电极表面制备出三氧化铝涂层。
在本实施例中，脉冲电压为500V、频率为500Hz、占空比为25%、电解液温度为30℃的条件下微弧氧化60min，即在镍电极基体上制备出三氧化铝涂层。
图1是实施例1制备三氧化铝涂层的X射线衍射图。由图1可知涂层主要由三氧化铝组成。
图2是实施例1制备三氧化铝涂层的表面扫描电镜图。由图2可知三氧化铝涂层表面呈现出多孔的表面形貌，这种结构有利于活性物质在表面的附着。
图3是实施例1制备三氧化铝涂层的截面扫描电镜图。由图3可知三氧化铝涂层（Coating）与镍电极基体（Substrate）间没有明显的裂纹和缺陷存在，三氧化铝涂层与镍电极基体结合良好。其中，图2中的树脂（Resin）覆盖在三氧化铝涂层（Coating）外，这样可以方便观测三氧化铝涂层（Coating）的外表面。
本实施例中，在其他条件不变的情况下，采用不同微弧氧化时间，对涂层的表面粗糙度和拉伸结合强度进行测定。其中，表面粗糙度(Ra)是以触针式表面粗糙度仪所测量，其结果如表1所示。
微弧氧化时间(分钟) 表面粗糙度(微米) 拉伸结合强度(MPa)
0(氧化前) 0.67 -
10 1.49 45.2
20 2.36 50.3
40 5.55 38.7
60 6.78 35.6
80 6.91 31.2
90 6.27 30.7
表1
表1为实施例1所得三氧化铝涂层的表面粗糙度及与基体即镍电极的拉伸结合强度与微弧氧化时间的关系。从表1可以看出，表面粗糙度随着微弧氧化时间逐渐增加，但到80分钟后开始减小，而拉伸结合强度在20分钟最大，随后逐步减小。因而，微弧氧化时间在10min～90min为宜。
在具体实施过程中，三氧化铝涂层可采用不同的条件进行制备，具体如表1所示。
表1
经测试，上述条件下，采用微弧氧化处理为在脉冲电压为300V～600V、频率为50Hz～2000Hz、占空比为10%～45%、电解液温度为20℃～40℃的条件下氧化10min～90min，均可在镍电极表面制备出三氧化铝涂层。只是电解液的浓度以及氧化时间对三氧化铝涂层有一定的影响。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种镍电极表面制备三氧化铝涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将镍电极用砂纸打磨除去表面的氧化层后放入丙酮中超声清洗3min～10min；
(2)、将步骤(1)处理后的镍电极，于大气环境中置于200℃～600℃的环境中加热3h～9h，生成预制膜层；
(3)、按硝酸铝浓度为10g/L～30g/L和添加剂浓度为0.5g/L～10g/L溶于酒精中配置电解液；
(4)、将经步骤(2)处理后的镍电极放入装有步骤(3)配制电解液的不锈钢槽体中，以金属镍做阴极、不锈钢槽体为阳极，采用脉冲微弧氧化电源供电，进行微弧氧化处理，即可在镍电极表面制备出三氧化铝涂层；
步骤(3)中，所述添加剂为硝酸铈、硝酸钇、硝酸铒中的一种或其中几种的组合
步骤(4)中，所述的微弧氧化处理为在脉冲电压为300V～600V、频率为50Hz～2000Hz、占空比为10％～45％、电解液温度为20℃～40℃的条件下氧化10min～90min，在镍电极表面制备出三氧化铝涂层。
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