CN1797826A - 一种泡沫镍和该泡沫镍的制作方法及使用该泡沫镍的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泡沫镍和该泡沫镍的制作方法及使用该泡沫镍的电池，所述泡沫镍具有多层网筋形成的多层网状结构，其中，所述网筋还含有金属铜，所述金属铜以颗粒状存在。本发明泡沫镍的制作方法，包括聚氨酯海绵导电化阶段、电沉积阶段、热处理阶段，其中，在所述电沉积阶段中，在电沉积槽液中还加入铜粉。本发明泡沫镍表面具有较高粗糙度，从而可以增强电池极板集流效果，同时可以提高电池中活性物质的利用率；采用本发明泡沫镍的电池具有较长的寿命和较高的容量，同时具有较低的内阻；本发明泡沫镍的制作方法具有较低的制作成本。

Description

一种泡沫镍和该泡沫镍的制作方法及使用该泡沫镍的电池
【技术领域】
本发明属电池技术领域，更详细地说是涉及一种具有较强集流效果的泡沫镍和该泡沫镍的制作方法以及使用该泡沫镍的电池。
【背景技术】
普通泡沫镍材料生产工艺为：先聚氨酯海绵导电化，再进行电沉积，最后热处理。导电化处理一般包括化学镀、涂覆导电胶、真空镀三种，电沉积一般是硫酸盐或氨基磺酸盐镀镍，热处理是指在400-1100℃氢气还原气氛条件下进行。普通泡沫镍材料作为电池电极(可以是正极或负极板)的集流体和活性物质的载体，由于其表面呈光滑状(在高倍数显微镜下观察或电镜观察)，粗糙度不够，导致在制作电极时电极浆料与泡沫镍光滑表面结合力差，集流效果差，电池在多次充放电时，电极活性材料随着充放电过程的进行其体积也随之不断地进行膨胀和收缩，因而在多次充放电后，电极活性物质从泡沫镍表面脱落，从而影响电池的寿命；且电极活性物质接触真实表面积少，集流效果差，导电性差，电池内阻高，活性物质利用率偏低，导致容量偏低。另中国申请号00126771.X的专利申请中采用在电沉积溶液中加入镍、镍的氧化物、镍的碳氧化物、钴、钴的氧化物的粉末来提高泡沫镍的粗糙度，从而增强集流效果。上述专利申请的不足之处是成本高，不能有效的降低电池内阻，对电池的寿命提高作用不明显。
【发明内容】
本发明的目的一在于，克服现有技术中存在的泡沫镍粗糙度不够，作为电池电极基体集流效果差、导致电池内阻高、电极活性物质利用率偏低的缺点，从而提供一种表面粗糙度较高的泡沫镍。
本发明的目的二在于，提供一种制作具有较高表面粗糙度泡沫镍的方法。
本发明的目的三在于，提供一种较低内阻和较高寿命的电池。
本发明的目的一是通过以下技术方案实现的：
一种泡沫镍，具有多层网筋形成的多层网状结构，其中，所述网筋还含有金属铜，所述金属铜以颗粒状存在。
上述技术方案可进一步改进为：
所述金属铜存在于所述网筋的表面和内部。
所述金属铜的质量百分比含量为泡沫镍总质量的1％-30％。
所述金属铜的质量百分比含量为泡沫镍总质量的10％-20％。
本发明的目的二是通过以下技术方案实现的：
上述泡沫镍的制作方法，包括聚氨脂海绵导电化阶段、电沉积阶段、热处理阶段，其特征在于，在所述电沉积阶段中，在电沉积槽液中还加入铜粉。
上述技术方案可一步改进为：
所述铜粉加入的时间在导电化后的聚氨脂海绵表面沉积镍之前或沉积一定的镍之后。
所述铜粉加入的量为5g/L-50g/L。
所述铜粉加入的量为10g/L-20g/L。
所述铜粉粒度为0.2um-100um。
本发明的目的三是通过以下技术方案实现的：
一种电池，包括电池极板，所述极板的基体采用的泡沫镍具有多层网筋形成的多层网状结构，其中，所述网筋还含有金属铜，所述金属铜以颗粒状存在。
本发明的优点在于：本发明泡沫镍表面具有较高粗糙度，从而可以增强电池极板集流效果，同时可以提高电池中活性物质的利用率；采用本发明泡沫镍的电池具有较长的寿命和较高的容量，同时具有较低的内阻；本发明泡沫镍的制作方法具有较低的制作成本。
【附图说明】
图1为普通泡沫镍的SEM图
图2为本发明泡沫镍SEM图
【具体实施方式】
下面将更详细的说明本发明。
本发明泡沫镍的制作方法是聚氨脂海绵导电化—电沉积—热处理，导电化可以是涂覆导电胶、磁控溅射、化学镀，电沉积可以硫酸盐体系也可以是氨基磺酸盐体系镀镍，热处理是指在400-1000℃氢气还原气氛条件下进行。在电沉积阶段，在电沉积槽液中除了需要电镀的镍以外还加入5g/L-50g/L铜粉，优选比例为10g/L-20g/L，铜粉含量太高，制作的泡沫镍物理性能较差，特别是柔韧性差，制作电池极片的时候容易断裂，卷绕时容易断裂，直接影响电池的容量及寿命；铜粉含量太低，对电池性能没有明显作用。铜粉粒度为0.2um-100um，粒度太大，不易搅拌均匀，且附着力并不好，还有可能刺穿隔膜纸；粒度太小，粗糙度不够。在空气或机械搅拌下进行电沉积，铜粉的加入可以是在电沉积开始前，也可以是在电沉积一定量的镍后(达到一定量的上镍量后，根据生产需要确定此上镍量)再加入铜粉，铜粉在空气或机械搅拌下均匀的吸附在经导化处理的海绵上或电沉积一定量的镍的海绵上，吸附的同时镍也在电沉积。沉积时间视用户对面密度大小的要求而定，一般在280-1000g/m2，电沉积上镍量达到规定值后的含聚氨脂骨架的泡沫镍经热处理阶段，热处理为现有技术经过焚烧、脱碳、还原、退火、冷却五个工序的热处理后即制得表面粗糙、增强电极集流效果的泡沫镍。所制得表面粗糙泡沫镍的铜的质量百分比含量为1-30％，优选比例为10％-20％。铜粉含量太高，泡沫镍物理性能较差，特别是柔韧性差，制作电池极片的时候容易断裂，卷绕时容易断裂，直接影响电池的容量及寿命；铜粉含量太低，对电池性能没有明显作用。由于铜粉导电性好，加上泡沫镍网筋表面比较粗糙，对浆料的附着力好，这样电池在循环过程中活性物质不容易从泡沫镍网筋上脱落，同时活性物质与泡沫镍网筋表面接触面积较大，因此活性物质利用率高，电池的内阻较低、容量较高、寿命较长。
本发明突出的实质性特点和显著效果可以从以下实施例中得以体现。
【实施例1】
泡沫镍的制作：
取连续聚氨酯海棉(孔径110PPI、厚度1.9mm、宽度1000mm)两卷，各50m进行导电化，分别标识为I、II，导电化是采用涂覆导电胶工艺，I、II在相同工艺条件下涂导电胶，涂导电胶工艺为聚氨脂海棉—浸胶—挤胶—烘干(在70-120℃)，胶的固含量在7-10％、PH值在10-11、温度在10-30℃、粘度在5-20mPa.s。
将I、II放入普通泡沫镍用电沉积槽液中，在相同工艺条件下电沉积。工艺条件如下，I沉积430g/m2镍后终止电沉积，I即为普通泡沫镍电镀成品；II沉积230g/m2镍后放入本发明的添加铜粉的电沉积槽液中继续电沉积，沉积200g/m2后终止电沉积，铜粉粒度为30um，铜粉的含量为10g/L，II即为本发明制得的表面粗糙、增强集流效果的泡沫镍电镀成品。将I、II在相同的条件下进行热处理，热处理是指在400-1000氢气还原气氛条件下进行以下称I为普通泡沫镍、II为粗糙化泡沫镍。
普通泡沫镍电沉积槽液的工艺参数如下：
硫酸镍(NiSO4.7H2O)    200-250(g/L)
氯化镍(NiCl2.6H2O)    30-45(g/L)
硼酸(H3BO3)           30-45(g/L)
PH                       3.8-4.4
温度                     45-60℃
本发明泡沫镍电沉积槽液工艺参数如下：
硫酸镍(NiSO4.7H2O)    200-250(g/L)
氯化镍(NiCl2.6H2O)    30-45(g/L)
硼酸(H3BO3)           30-45(g/L)
铜粉                     10(g/L)
铜粉粒度                 30um
PH                       3.8-4.4
温度                     45-60℃
电池的制作：
取上述实施例中泡沫镍I、II作为电池负极材料在相同工艺条件下制作电池负极片；电池正极片使用普通泡沫镍材料制作。在电池制作工艺条件完全相同的情况下各生产出30支SC-1900mAh镍镉电池。
正极的制作：取普通泡沫镍，压、裁片后制作成长200mm、宽61mm、厚1.4mm的泡沫镍基片30片，在泡沫镍基片的中间位置辊焊宽3mm、厚0.2mm、长200mm的镍带(即集流带)，取上述辊焊好镍带的泡沫镍基片在相同条件下按照电池正极的制作工艺涂料、烘干(温度160℃)、刮片、碾压成型(长为200mm、宽为61mm、厚为0.6mm)，浆料由Ni(OH)2、CoO、Ni、羧甲基纤维素钠(CMC)、水(各组成重量比为60∶4∶8∶3∶25)的配制而成，制作出30片电池正极片。取上述电池正极片30片，从辊焊镍带的中间位置分切成长200mm、宽30mm的正极片60片，作为电池的正极。
负极的制作：负极采用实施例1中的泡沫镍I、II作为CdO电极基体，取实施例1中泡沫镍I、II在相同工艺、设备条件下压、裁片后制作成长为250mm、宽为65mm、厚为1.3mm的泡沫镍基片I、II各15片，在上述泡沫镍基片I、II的中间位置辊焊宽3mm、厚0.2mm、长250mm的镍带(即集流带)。取上述辊焊好镍带的泡沫镍基片I、II按电池负极的制作工艺进行涂浆、烘干(温度160℃)、刮片、碾压成型(长为250mm、宽为32mm、厚为0.6mm)。浆料由CdO、Cd、羧甲基纤维素钠(CMC)、水(各组分的重量比为60∶10∶10∶20)配制而成，制作出电池负极片I、II各15片。取上述电池负极片I、II从辊焊镍带的中间位置分切成长为250mm、宽为32mm、厚为0.6mm负极片I、II各30片，作为电池的负极。
将上述正极、负极、隔膜纸卷绕后，装进电池壳，进行端面焊，注入电解液22毫升(电解液为KOH和LiOH混合水溶液，混合水溶液中含有5mol*L-1的KOH和5g*L-1的LiOH)，制作成SC-1900mAh镍镉电池各30支，普通泡沫镍I制作的电池记为A组，本发明泡沫镍II制作的电池B组。
性能测试比较1.1
取上述粗糙化、增强集流效果的泡沫镍II与普通泡沫镍I作理化性能测试，结果如表1.1：
                表1.1
  性能   I   II
  厚度(mm)面密度(g/m2)孔径(PPI)纵向抗拉强度(N/mm)横向抗拉强度(N/mm)柔韧性(次)镍(％)铁(ppm)铜(ppm)锰(ppm)硫(ppm)   1.9430±251102.31.9999.333491930   1.9430±251102.42.0988301120001825
碳(ppm)   100   110
从上表可知，本发明泡沫镍除铜、镍含量有差异外，其他理化性能与普通泡沫镍无明显差异。且本发明的铜含量高，相应镍含量降低，镍含量只是普通泡沫镍的90％左右，明显降低了泡沫镍生产成本。
性能测试比较1.2
取上述泡沫镍I、II做电镜实验，其SEM图分别如图1、2所示：其中扫描电子显微镜采用日本电子株式会社的JSM-5610LV型扫描电子显微镜，在图1中可以看出，普通泡沫镍网筋表面比较光滑；从图2中可以看出，本发明制作方法制得的泡沫镍的网筋表面比较粗糙。
性能测试比较1.3
取上述A组和B组电池进行检测，检测制度按IEC285：1993标准检测。测得电池性能如表1.2所示：
                表1.2
  性能   A组   B组
  平均容量(mAh)   1880   1960
  平均内阻(mΩ)   4.8   4.5
  循环300次容量保持率(10C放电)   80％   92％
从上表可知，采用本发明泡沫镍所生产的镍镉电池与用普通泡沫镍所生产的电池相比，其容量、内阻、循环寿命均有较大优势。
【实施例2】
除了铜粉的含量改为20g/L，其余同实施例1的方法，制得普通泡沫镍I、粗糙化增强集流效果的泡沫镍II；采用这两种泡沫镍分别按照实施例1中的电池制作方法制作成SC-1900mAh镍镉电池各30支，普通泡沫镍I制作的电池记为A1组，本发明泡沫镍II制作的电池记为B1组。
性能测试比较2.1
取上述粗糙化、增强集流效果的泡沫镍II与普通泡沫镍I作理化性能测试，结果如表2.1：
                  表2.1
  性能   I   II
  厚度(mm)面密度(g/m2)孔径(PPI)纵向抗拉强度(N/mm)横向抗拉强度(N/mm)柔韧性(次)镍(％)铁(ppm)铜(ppm)锰(ppm)硫(ppm)碳(ppm)   1.9430±251102.32.0999.333491930100   1.9430±251102.32.0979.1302011001825110
从上表可知，本发明泡沫镍除铜、镍含量有差异外，其他理化性能与普通泡沫镍无明显差异。且本发明泡沫镍的铜含量高，相应镍含量降低，明显降低了泡沫镍生产成本。
性能测试比较2.2
取上述A1组和B1组电池进行检测，检测制度按IEC285：1993标准检测，测得电池性能如表2.2所示：
                   表2.2
  性能   A1组   B1组
  平均容量(mAh)   1875   1930
平均内阻(mΩ) 4.8 4.5
循环300次容量保持率(10C放电) 82％ 91％
从上表可知，采用本发明泡沫镍所生产的镍镉电池与用普通泡沫镍所生产的电池相比，其容量、内阻、循环寿命均有较大优势。
【实施例3】
除了铜粉的含量改为5g/L，其余同实施例1的制作方法，制得普通泡沫镍I、粗糙化增强集流效果的泡沫镍II。采用这两种泡沫镍分别按照实施例1中的电池制作方法制作成SC-1900mAh镍镉电池各30支，普通泡沫镍I制作的电池记为A2组，本发明泡沫镍II制作的电池记为B2组。
性能测试比较3.1
取上述粗糙化、增强集流效果的泡沫镍II与普通泡沫镍I作理化性能测试，结果如表3.1：
                 表3.1
  性能   I   II
  厚度(mm)面密度(g/m2)孔径(PPI)纵向抗拉强度(N/mm)横向抗拉强度(N/mm)柔韧性(次)镍(％)铁(ppm)铜(ppm)锰(ppm)硫(ppm)碳(ppm)   1.9430±251102.22.0999.330581733100   1.9430±251102.22.099828121001528105
从上表可知，本发明泡沫镍除铜、镍含量有差异外，其他理化性能与普通泡沫镍无明显差异。本发明的铜含量高，相应镍含量降低，降低了泡沫镍生产成本。
性能测试比较3.2
取上述A2组和B2组电池进行检测，检测制度按IEC285：1993标准检测，测得电池性能如表3.2所示：
                  表3.2
  性能   A2组   B2组
  平均容量(mAh)   1875   1900
  平均内阻(mΩ)   4.8   4.7
  循环300次容量保持率(10C放电)   81％   87％
从上表可知，采用本发明的表面粗糙、增强集流效果的泡沫镍所生产的镍镉电池与用普通泡沫镍所生产的电池相比，其容量、内阻、循环寿命均有较大优势。
【实施例4】
除了铜粉的含量改为50g/L，其余同实施例1，制得普通泡沫镍I、粗糙化增强集流效果的泡沫镍II。采用这两种泡沫镍分别按照实施例1中的电池制作方法制作成SC-1900mAh镍镉电池各30支，普通泡沫镍I制作的电池记为A3组，本发明泡沫镍II制作的电池记为B3组。
性能测试比较4.1
取上述粗糙化、增强集流效果的泡沫镍II与普通泡沫镍I作理化性能测试，结果如表4.1：
                  表4.1
  性能   I   II
  厚度(mm)面密度(g/m2)孔径(PPI)纵向抗拉强度(N/mm)横向抗拉强度(N/mm)柔韧性(次)镍(％)   1.9430±251102.22.0999.3   1.9430±251102.12.0868
铁(ppm)铜(ppm)锰(ppm)硫(ppm)碳(ppm)   30491531107   323100001328115
从上表可知，本发明泡沫镍除铜、镍含量有差异外，其他理化性能与普通泡沫镍无明显差异。且本发明的铜含量高，相应镍含量降低，镍含量只是普通泡沫镍的70％左右，明显降低了泡沫镍生产成本。
性能测试比较4.2
取上述A3组和B3组电池进行检测，检测制度按IEC285：1993标准检测，测得电池性能如表4.2：
                表4.2
  性能   A3组   B3组
  平均容量(mAh)   1880   1900
  平均内阻(mΩ)   4.9   4.4
  循环300次容量保持率(10C放电)   80％   85％
从上表可知，采用本发明的表面粗糙、增强集流效果的泡沫镍所生产的镍镉电池与用普通泡沫镍所生产的电池相比，其容量、内阻、循环寿命均有较大优势。
上述实施例结果表明，根据本发明制作的泡沫镍，在铜粉的加入量在5-50g/L时泡沫镍中铜含量在1％-30％时明显的提高了泡沫镍表面粗糙度；在铜粉的加入量在5-50g/L时泡沫镍中铜含量在1％-30％时，优选比例为铜粉加入量在10-20g/L时泡沫镍中铜含量在10％-20％，明显的增强了泡沫镍电极的集流效果；提高了活性物质的利用率；本发明电池具有较低的电池内阻、较高的电池容量、较长的电池寿命；本发明制作方法降低了泡沫镍的制作成本。

Claims (10)

1、一种泡沫镍，具有多层网筋形成的多层网状结构，其特征在于，所述网筋还含有金属铜，所述金属铜以颗粒状存在。
2、如权利要求1所述的泡沫镍，其特征在于，所述金属铜存在于所述网筋的表面和内部。
3、如权利要求1所述的泡沫镍，其特征在于，所述金属铜的质量百分比含量为泡沫镍总质量的1％-30％。
4、如权利要求3所述的泡沫镍，其特征在于，所述金属铜的质量百分比含量为泡沫镍总质量的10％-20％。
5、如权利要求1所述的泡沫镍的制作方法，包括聚氨脂海绵导电化阶段、电沉积阶段、热处理阶段，其特征在于，在所述电沉积阶段中，在电沉积槽液中还加入铜粉。
6、如权利要求5所述的泡沫镍的制作方法，其特征在于，所述铜粉加入的时间在导电化后的聚氨脂海绵表面沉积镍之前或沉积一定量的镍之后。
7、如权利要求5所述的泡沫镍的制作方法，其特征在于，所述铜粉加入的量为5g/L-50g/L。
8、如权利要求7所述的泡沫镍的制作方法，其特征在于，所述铜粉加入的量为10g/L-20g/L。
9、如权利要求5所述的泡沫镍的制作方法，其特征在于，所述铜粉粒度为0.2um-100um。
10、一种电池，包括电池极板，所述极板的基体为泡沫镍，所述泡沫镍具有多层网筋形成的多层网状结构，其特征在于，所述网筋还含有金属铜，所述金属铜以颗粒状存在。
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