CN1933215B - 碱性二次电池正极极板的制备方法 - Google Patents

碱性二次电池正极极板的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种正极极板的制备方法包括将正极材料的浆液涂覆和/或填充在正极导电基体上并干燥；用超声波将正极导电基体上需要焊接极耳的部位的正极材料清除掉；将正极极耳焊接到正极导电基体上，其中，在用超声波对正极材料进行清除的过程中，往正极导电基体上引入液体流。采用该方法制得的正极极板的总不良率大大降低，而且极耳的焊接强度也得到了显著的提高。

Description

碱性二次电池正极极板的制备方法
技术领域
本发明涉及碱性二次电池正极极板的制备方法。
背景技术
随着人们对便携式、轻量化电子产品的需求的日益增长，碱性二次电池做为主要的备用电源得到了越来越广泛的应用。
碱性二次电池，如镍-镉二次电池或镍-氢二次电池，一般包括密封在电池壳体内的电极组和碱性电解液。所述电极组包括正极极板、负极极板及隔板。正极极板含有正极材料和正极导电基体，导电基体上焊接有正极极耳(Positive terminal)，正极极耳与正极盖帽焊接，极耳在导电基体上汇集电流并在盖帽与正极极板之间起到连通电流的作用。
传统的正极极板的制备方法包括通过电阻焊或其它焊接方式将正极极耳焊接在导电基体上，然后涂覆浆状的正极材料，干燥、压制最后裁切成规定的尺寸。但是，这种方法不适合采用正极连续拉浆工艺。因为连续拉浆工艺要求将正极材料涂覆在导电基体上并干燥、压制、裁切后，再焊接正极极耳，而正极材料是电的不良导体无法进行焊接，因此需要将焊接极耳部位的正极材料清除掉。
为此，日本公开特许公报特开2004-303485中公开了利用超声波(Ultrasonic)将活性物质清除，从而使发泡镍基体(导电基体)暴露，然后实施极耳的焊接。这种方法解决了正极连续拉浆工艺中正极极耳的焊接问题。
但是，上述方法存在着如下几个缺点；由于发泡镍基体是一种三维的网络结构，正极材料填充后又经过压制，超声波将正极材料振松散后，正极材料并不能有效得移走而是不同程度地残留在发泡镍基体中的，而正极材料是电的不良导体，因此在焊接极耳时，容易引起焊接位的炸火、虚焊；而且，在利用超声波清除正极材料的过程中会产生瞬间高温，导致暴露在空气中的发泡镍基体的氧化，直接表现为清粉后极耳位镍丝发黄，同样会导致焊接不良；更为严重的是，高温使发泡镍镍丝强度下降，再加之超声波机械振动，使镍丝发生断裂、脱落甚至于发泡镍基体的穿孔，最终会引起极耳焊接强度的不够，正极极板的不良率增加。
发明内容
本发明的目的是克服现有正极极板制备方法的极耳焊接强度不高、正极极板不良率较高的缺点，提供一种提高极耳焊接强度，降低正极极板不良率的正极极板制备方法。
本发明提供的正极极板的制备方法包括将正极材料的浆液涂覆和/或填充在正极导电基体上并干燥；用超声波将正极导电基体上需要焊接极耳的部位的正极材料清除掉；将正极极耳焊接到正极导电基体上，其中，在用超声波对正极材料进行清除的过程中，往正极导电基体上引入液体流。
由于在用超声波对正极材料进行清除的过程中往正极导电基体上引入了液体流，超声波的振动使正极材料粒子发生松散，此时液体流将松散的正极材料粒子带走，正极材料粒子不会残留在导电基体上，大大降低了焊接过程中的炸火、虚焊等不良现象，降低正极极板不良率；同时，液体流能将超声波实施过程中的产生的热量及时地带走，这样有效地避免了由于高温导致的导电基体断裂与氧化，从而提高了焊接强度.
附图说明
图1为表示利用超声波对正极材料进行清除的剖面示意图；
图2表示按照本发明的方法利用超声波对正极材料进行清除的剖面示意图；
图3为本发明所使用的超声波清粉机的上模和下模的截面示意图；
图4为表示将正极极耳焊接到正极导电基体上的示意图。
附图标记说明
1：上模           2：下模
3：正极极板       4：极耳位
5：下模液体通道   6：液体流入口
7：上模液体通道   8：焊接区
9：正极极耳
具体实施方式
本发明提供的正极极板的制备方法包括将正极材料的浆液涂覆和/或填充在正极导电基体上并干燥；用超声波将正极导电基体上需要焊接极耳的部位的正极材料清除掉；将正极极耳焊接到正极导电基体上，其中，在用超声波对正极材料进行清除的过程中，往正极导电基体上引入液体流。
按照本发明提供的正极极板的制备方法，其中将正极材料的浆液涂覆和/或填充在正极导电基体上并干燥的方法和步骤已为本领域技术人员所公知。例如，将所述正极材料和溶剂混合成糊状浆料，涂覆和/或填充在所述导电基体上，干燥即可。干燥的方法可以采用本领域公知的方法，例如在100-120℃下烘干。在干燥之后，还可以包括压制成型的步骤。压制成型的步骤已为本领域技术人员所公知，例如，使干燥后的正极极板通过两个一定间距的辊轮轧压。
本发明优选采用已知的连续拉浆工艺，连续拉浆工艺的具体过程包括使一定宽度的卷式带状正极导电基体通过正极浆料池，正极浆料充分吸附于导电基体中；然后使吸附有正极浆料的导电基体通过两个一定间距的滚轮，将导电基体辊压至规定的厚度，同时保证了导电基体上浆料的面密度；再使导电基体通过垂直设置的烘烤区，充分干燥后即可。连续拉浆工艺完成之后，再通过轧辊机将极板适当压制，然后将极板裁切成规定的尺寸。
导电基体可以使用本领域常规的正极导电基体，例如泡沫镍基体、毛毡片结构的基体、金属穿孔板或多孔拉制金属网，优选使用泡沫镍基体。
正极材料已为本领域技术人员所公知，例如正极材料含有正极活性物质和粘合剂。正极活性物质优选采用球形氢氧化亚镍。所述粘合剂可以选自羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸钠、聚四氟乙烯中一种或几种；一般来说，粘合剂的含量为正极活性物质的0.01-5重量％，优选为0.02-3重量％。
所述溶剂可以选自能够使所述混合物形成糊状的任意溶剂，优选为水.溶剂的用量能够使所述糊状物具有粘性，能够涂覆到所述导电基体上即可.一般来说，所述溶剂的含量为正极活性物质的15-40重量％，优选为20-35重量％.
正极材料中还可以含有添加剂，所述添加剂的种类和含量为本领域技术人员所公知。例如，所述添加剂可以选自钴、锌、镉、锰的金属和化合物中的一种或几种。一般来说，以元素计，所述添加剂的含量为正极活性物质的0-15重量％，优选为2-10重量％。
用超声波清除正极材料的步骤已为本领域的技术人员所公知。例如，可以使用常规的超声波清粉机，例如由广东顺德升平超声波设备有限公司生产的40KHz电池专用超声波清粉机。超声波的频率可以为20-45千赫，优选为30-40千赫。超声波清粉机一般包括超声波发生仪、机架、上模1和下模2(如图1所示)。超声波发生仪发出超声波能量，上模传递超声波能量，下模主要起支撑极板及定位作用。正极极板3的极耳位4(即需要焊接极耳的部位)位于上模和下模之间，上模可以上下移动，清粉时，上模下移，并接触正极极板，超声波发生仪发出的超声波能量通过上模传递到极片上，同时将极板上正极活性物质粉末振松，并通过下模的孔洞移走，从而将极耳位的基体暴露。
按照本发明提供的正极极板的制备方法，在用超声波对正极材料进行清除的过程中，往正极导电基体上引入液体流。所述液体可以使用任何不与正极材料和正极导电基体反应并且容易去除的液体，如水、液态酮、液态醇；液态酮的例子包括丙酮、丁酮；液态醇的例子包括甲醇、乙醇、丙醇；优选使用水。引入的液体流的压力为0.2-5千克/平方厘米，优选为0.5-3.0千克/平方厘米。对液体流的温度没有具体的限定，液体流的最低温度可以为大于其凝固点的温度，最高温度可以为小于其沸点的温度，为了有效地降低超声波清粉过程中导电基体的温度，液体流的温度一般为1-40℃，优选为5-30℃。
如图2所示，为了在用超声波对正极材料进行清除的过程中往正极导电基体上引入液体流，本发明在现有的超声波清粉机的上模1上设置液体流入口6以及液体通道7，下模设置液体通道5。液体从超声波清粉机上模的液体流入口6流入，经过上模液体通道7，穿过导电基体3，从超声波清粉机的下模液体通道5流出。超声波的振动使正极材料粒子发生松散，液体将松散的正极材料粒子带走，因此优选对流出的液体进行过滤，回收利用正极材料，从而节约成本。为了方便液体流入，优选将液体流入口6设置在超声波清粉机上模的侧面(如图2所示)。图3为沿图2的虚线aa’和bb’得到的上模和下模的截面图。如图3所示，上模液体通道7和下模液体通道5的截面形状均为圆形，但本发明并不限于此，上模液体通道7和下模液体通道5的截面形状可以为任意形状。优选情况下，下模液体通道5的截面面积较大，有利于携带有正极材料粒子的液体流出。
用超声波将需要焊接极耳的部位的正极材料清除掉以后，本发明提供的该方法还可以包括使导电基体干燥的步骤。可以使用已知的干燥方法，例如在真空条件(真空度为0.08-0.10兆帕，此处的真空度为实际压力与大气压力的差值的绝对值)或惰性气体保护条件下，在40-100℃下烘干。所述惰性气体包括氮气、氦气、氖气、氩气、氙气、氪气，优选为氮气。优选情况下，用40-100℃的氮气将导电基体吹干。
使导电基体干燥以后，本发明提供的该方法还可以包括压制的步骤。压制的方法已为本领域技术人员所公知，例如采用对辊轧机将极板轧压至最终成品厚度。
将正极极耳焊接到正极导电基体上的方法已为本领域技术人员所公知，例如可以采用电阻焊、激光焊或超声波焊.如图4所示，将正极极耳9焊接到正极极板3的焊接区8.正极极耳的种类已为本领域技术人员所公知，例如正极极耳可以选自纯镍极耳或镀镍钢带.焊接完成后，得到正极极板.
下面通过实施例来更详细地描述本发明。
实施例1
该实施例用于描述本发明提供的正极极板的制备方法。
取100重量份氢氧化亚镍、5重量份氧化亚钴、8重量份CMC水溶液(浓度为2.5重量％)、2重量份PTFE乳液(浓度为60重量％)、20重量份去离子水充分搅拌混合，形成浆状物。通过正极连续拉浆设备(比亚迪公司，编号为BYD-LJJ-II)将浆料均匀填充至面密度为430克/米2的卷式发泡镍基体中，烘干压制成型，压制后发泡镍基体的厚度为0.8毫米，并裁切成97毫米×44毫米大小的极板。
将裁切好的极板置于超声波清粉机(广东顺德升平超声波设备有限公司生产的40KHz电池专用超声波清粉机)的上、下模之间。为了使该超声波清粉机适用于本发明的正极极板的制备方法，如图2所示，在超声波清粉机的上模1上设置液体流入口6以及液体通道7，下模设置液体通道5。触发超声波启动开关的同时(超声波频率为40千赫)，打开入水口开关，压力为2.5千克/厘米2、温度为20℃的水流从上模入水口进入上模，通过上模液体通道，穿过极板，并将超声波振动松散的活性物质粒子带走，通过下模液体通道流出，完成清粉过程。
将清粉后暴露的发泡镍基体用80℃的氮气吹干。
将吹干后的发泡镍基体压至0.7毫米。
通过电阻焊将15毫米×3毫米×0.15毫米的纯镍极耳焊接在发泡镍基体上，得到正极极板A1。
对比例1
取100重量份氢氧化亚镍、5重量份氧化亚钴、8重量份CMC水溶液(浓度为2.5重量％)、2重量份PTFE乳液(浓度为60重量％)、20重量份去离子水充分搅拌混合，形成浆状物。通过正极连续拉浆设备(比亚迪公司，编号为BYD-LJJ-II)将浆料均匀填充至面密度为430克/米2的卷式发泡镍基体中，烘干压制成型，压制厚度为0.8毫米，并裁切成97毫米×44毫米大小的极板。
将裁切好的极板置于超声波清粉机(广东顺德升平超声波设备有限公司生产的40KHz电池专用超声波清粉机)的上下模具中，触发超声波启动开关(超声波频率为40千赫)清除正极材料。与实施例1不同的是，超声波清粉机的上模上没有设置液体流入口和液体通道，在清粉过程中，没有引入水流。
将清粉后暴露的发泡镍基体压至0.7毫米。
通过电阻焊将15毫米×3毫米×0.15毫米的纯镍极耳焊接在发泡镍基体上，得到正极极板CA1。
性能测试
重复实施例1和对比例1的方法各制得正极极板10000片，观察极板的炸火、虚焊、穿孔现象，计算炸火率、虚焊率、穿孔率和总不良率。
炸火率＝(出现炸火现象的极板数)/总的极板数
虚焊率＝(出现虚焊现象的极板数)/总的极板数
穿孔率＝(出现穿孔现象的极板数)/总的极板数
总不良率＝炸火率+虚焊率+穿孔率
并随机抽样各20片合格品，按照以下方法测试极耳的焊接强度。
将焊接后极板固定于强度测试仪的基座上，焊接后的极耳夹紧于一可在水平轨道上移动的拉力器上，拉力器采用手动螺杆牵引，摇动螺杆曲柄，使拉力器拉动极耳水平移动。但极板固定在基座上，于是极耳焊接处发生拉伸形变，直至极耳从极板上脱落，此时拉力器上表针会指示极耳脱落时所承受的拉力，该拉力值作为极耳的焊接强度。
测试结果如表1所示。
表1
  炸火   虚焊   镍网穿孔   总不良率   平均焊接强度
 实施例1   0.02％   0.03％   0.01％   0.06％   4.0千克
 对比例1   0.3％   0.5％   0.2％   1.0％   3.5千克
从表1所示的结果可以看出，使用本发明提供的方法制得的正极极板的总不良率仅为0.06％，而采用现有技术的方法制得的正极极板的总不良率为1.0％，因此使用本发明提供的方法制得的正极极板的总不良率大大降低，而且极耳的焊接强度也得到显著的提高。

Claims (8)

1.一种正极极板的制备方法，包括将正极材料的浆液涂覆和/或填充在正极导电基体上并干燥；用超声波将正极导电基体上需要焊接极耳的部位的正极材料清除掉；将正极极耳焊接到正极导电基体上，其特征在于，在用超声波对正极材料进行清除的过程中，往正极导电基体上引入液体流；所述超声波由超声波清粉机发出，该超声波清粉机包括上模和下模，该超声波清粉机的上模设置有液体流入口和液体通道，下模设置有液体通道；在超声过程中，液体流从所述超声波清粉机上模的液体流入口流入，经过上模液体通道，穿过正极导电基体，从超声波清粉机的下模液体通道流出。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述液体为水。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述液体流的压力为0.2-5千克/平方厘米，温度为1-40℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，超声波的频率为20-45千赫。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，通过电阻焊、激光焊或超声焊将正极极耳焊接到正极导电基体上。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，该方法还包括在用超声波将正极导电基体上需要焊接极耳的部位的正极材料清除掉以后，干燥导电基体。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，干燥的方法为用40-100℃的氮气将导电基体吹干。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其中，该方法还包括在干燥导电基体以后，压制导电基体。
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