化學(xué)電源設(shè)計(jì)和制造工藝學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容第五章鎳氫電池設(shè)計(jì)和制造工藝

1、第五章鎳氫電池設(shè)計(jì)和制造工藝化學(xué)電源設(shè)計(jì)和制造工藝學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容目錄5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)5.2 鎳氫電池關(guān)鍵電極材料設(shè)計(jì)與制造工藝5.3 鎳氫電池設(shè)計(jì)與制造工藝發(fā)明人Stanford Ovshinsky可能并不是家喻戶曉的名字，但確是改變歷史的人，他發(fā)明的鎳金屬氫化物電池已經(jīng)改變了我們的生活。在他50年的工作生涯中，共為美國(guó)提供了400多項(xiàng)技術(shù)專利，涵蓋鎳 Stanford Ovshinsky氫電池，氫燃料電池，和薄膜太陽(yáng)能電池等各方面。1960年，斯坦福和他的妻子艾麗斯成立了能量轉(zhuǎn)化設(shè)備公司（ECD），專門致力于開發(fā)能源相關(guān)的東西，而所有的產(chǎn)品都被關(guān)于Ovonics的標(biāo)簽。當(dāng)然

2、，在斯坦福所有的發(fā)明中，最優(yōu)秀的莫過(guò)于鎳氫反應(yīng)電池。這是一款可用于為混合型汽車充電的便攜電池，同時(shí)它也非常地環(huán)保。通用EV1汽車就采用了這種電池。Stanford Ovshinsky鎳氫電池氫鎳電池使用氫氧化鎳為正極活性物質(zhì)，貯氫合金作負(fù)極活性物質(zhì)，氫氧化鉀水溶液作電解液，為綠色環(huán)保型電池。鎳氫電池是有氫離子和金屬鎳合成，電量?jī)?chǔ)備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。氫鎳電池采取恒電流充電方式充電，根據(jù)電池對(duì)電流的接受能力可采用不同的電流對(duì)電池充電，充電過(guò)程中無(wú)需對(duì)電池單體的電壓進(jìn)行限制，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)快

3、速充電。鎳氫電池鎳氫電池的設(shè)計(jì)源於鎳鎘電池，但在改善鎳鎘電池的記憶效應(yīng)上，有極大的進(jìn)展。其主要的改變，在以儲(chǔ)氫合金取代負(fù)極原來(lái)使用之鎘，因此鎳氫電池說(shuō)是材料革新的典型代表。1982 年美國(guó) OVONIC 公司請(qǐng)求儲(chǔ)氫合金用於電極制造之專利,使得此一材料受到重視,繼之為 1985 年荷蘭飛利浦公司突破了儲(chǔ)氫合金在充放電過(guò)程中容量衰減的問題，終使鎳氫電池脫穎而出。目前在日本有 8 家以上鎳氫電池制造廠，德國(guó)，美國(guó)，香港，臺(tái)灣亦有鎳氫電池生產(chǎn),市場(chǎng)反應(yīng)良好。而且鎳氫電池所造成之污染，會(huì)比含有鎘之鎳鎘電池小很多，因此，目前鎳鎘電池已逐漸被鎳氫電池取代。鎳氫電池應(yīng)用 民用通訊電源，各種便攜式設(shè)備電源、電

4、動(dòng)工具、動(dòng)力電源等。小型綠色電源，替代鎘鎳電池。電動(dòng)工具礦燈鎳氫電池應(yīng)用應(yīng)急燈網(wǎng)標(biāo)燈民用電信產(chǎn)品鎳氫電池應(yīng)用動(dòng)力電池鎳氫電池型號(hào)尺寸通常有A、AA、AAA、AAAA、AAAAA、SC、D、F等，民用電池5號(hào)為AA電池，7號(hào)為AAA電池，1號(hào)為D電池，2號(hào)為C電池。AA大，AAA小D型電池SC電池鎳氫各型號(hào)電池尺寸(圓柱型)與容量 系列光身直徑標(biāo)準(zhǔn)高度(mm)尖頭高度(mm)容量范圍(mAh)AAAA8.2 40.0 300以下AAA10.0 43.0 44.5-0.5700以下10.1 43.0 1000以下AA13.9 49.0 50.5-0.51500以下14.1 50.0 2500以下A

5、16.5 50.0 2500以下SC22.0 43.0 3500以下C25.2 49.0 50.0-0.54500以下D32.2 60.0 61.5-0.59000以下F32.2 90.0 13000以下電池高度可以根據(jù)客戶的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，直徑一般不能更改。5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)工作原理電解質(zhì)主要為KOH作電解液（電解質(zhì)7moL/LKOH+15g/LLiOH）充電時(shí)正極反應(yīng)：Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H2O + e-負(fù)極反應(yīng)：M + H2O + e- MH + OH-總反應(yīng)：M + Ni(OH)2 MH + NiOOH放電時(shí)正極：NiOOH + H2O + e

6、- Ni(OH)2 + OH-負(fù)極：MH + OH- M + H2O + e-總反應(yīng)：MH + NiOOH M + Ni(OH)2以上式中M為儲(chǔ)氫合金，MH為吸附了氫原子的儲(chǔ)氫合金。最常用儲(chǔ)氫合金為L(zhǎng)aNi5。5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)工作原理氫氧化鎳電極（正極）：吸氫電極（負(fù)極）： 電池池總反應(yīng)： 5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)工作原理（過(guò)放電）氫氧化鎳電極（正極）吸氫電極（負(fù)極）過(guò)放電時(shí)，電池總反應(yīng)的凈結(jié)果為零，由于在正極上產(chǎn)生的氫氣會(huì)在負(fù)極上新化合，同樣也保持了電池體系的穩(wěn)定。 5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)工作原理（過(guò)充電）氫氧化鎳電極（正極）吸氫電極（負(fù)極

7、）氫氧化鎳電極全充電態(tài)時(shí)產(chǎn)生的氧氣，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散在負(fù)極上重新化合為水。既保持了電池內(nèi)壓的恒定，同時(shí)又使電液濃度不致發(fā)生巨大變化。 5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)工作原理5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)結(jié)構(gòu) 由氫氧化鎳正極，儲(chǔ)氫合金負(fù)極，隔膜紙，電解液，鋼殼，頂蓋，密封圈等組成。在圓柱形電池中，正負(fù)極用隔膜紙分開卷繞在一起，然后密封在鋼殼中的。在方形電池中，正負(fù)極由隔膜紙分開后疊成層狀密封在鋼殼中。5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)結(jié)構(gòu)正極: 活性物質(zhì)（Ni（OH）2) 、導(dǎo)電劑、溶劑、粘結(jié)劑、基體 。 負(fù)極： 活性物質(zhì)（儲(chǔ)氫合金粉)、 粘合劑、溶劑、導(dǎo)電劑、基體 隔膜：PP+PE

8、電解液：KOH+LiOH外殼：鋼殼、蓋帽、極耳5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 1. 能量密度高，是鎳鎘電他的倍； 2. 電池電壓為12v13v，與鎳鎘電池相當(dāng)； 3. 無(wú)記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命長(zhǎng) ； 4. 可大電流放電，承受過(guò)充電、過(guò)放電能力強(qiáng)； 5. 無(wú)污染，綠色環(huán)保電池 。缺點(diǎn): 1. 價(jià)格高于鎳鎘電池，負(fù)極材料為稀土合金材料； 2. 自放電速度大。5.1 鎳氫電池的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)電壓 能量重量 = 60-120 Wh/kg（瓦特小時(shí)/千克）能量體積 = 140-300 Wh/L（瓦特小時(shí)/升）即 504-1188kJ/kg（千焦耳/千克）功率重量 = 250-1000 W

9、/kg自放電率 = 一般為每月 2-30%，見溫度而定，低自放電型號(hào)為每年10-30%充放電效率 = 66%充放電循環(huán)次數(shù) = 500 -1800次特性5.2 鎳氫電池關(guān)鍵電極材料設(shè)計(jì)與制造工藝鎳氫電池中的“金屬”部分實(shí)際上是金屬氫化物。用在鎳氫電池的制造上，它們主要分為兩大類。最常見的是AB5一類，A是稀土元素的混合物（或者）再加上鈦（Ti）；B則是鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn），（或者）還有鋁（Al）。而一些高容量電池的“含多種成分”的電極則主要由AB2構(gòu)成，這里的A則是鈦（Ti）或者釩（V），B則是鋯（Zr）或鎳（Ni），再加上一些鉻（Cr）、鈷（Co）、鐵（Fe）和（或）錳（Mn）

10、。所有這些化合物扮演的都是相同的角色：可逆地形成金屬氫化物。電池充電時(shí)，氫氧化鉀（KOH）電解液中的氫離子（H+）會(huì)被釋放出來(lái)，由這些化合物將它吸收，避免形成氫氣（H2），以保持電池內(nèi)部的壓力和體積。當(dāng)電池放電時(shí)，這些氫離子便會(huì)經(jīng)由相反的過(guò)程而回到原來(lái)的地方。正極正極基體：發(fā)泡鎳（約厚)，或沖孔鍍鎳 鋼帶 （厚）正極物質(zhì)：球鎳+亞鈷+PTFE正極集流體：鎳帶（約厚）焊點(diǎn)：（約48個(gè))5.2 鎳氫電池關(guān)鍵電極材料設(shè)計(jì)與制造工藝從狹義上講，儲(chǔ)氫材料是一種能與氫反應(yīng)生成金屬氫化物的物質(zhì)；但是它與一般金屬氫化物有明顯的差異。即儲(chǔ)氫材料必須具備高度的反應(yīng)可逆性，而且，此可逆循環(huán)的次數(shù)必須足夠多，循環(huán)次數(shù)

11、超過(guò)5000次。實(shí)際上，它必須是能夠在適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力下大量可逆的吸收和釋放氫的材料。目前，用于鎳氫電池?fù)極儲(chǔ)氫材料的主要是金屬(或合金)儲(chǔ)氫材料，氫幾乎可以同周期表中的各種元素反應(yīng)，生成各種氫化物或氫化合物。但并不是所有金屬氫化物都能做儲(chǔ)氫材料，只有那些能在溫和條件下大量可逆的吸收和釋放氫的金屬或合金氫化物才能做儲(chǔ)氫材料用。儲(chǔ)氫合金材料在鎳氫電池中有著重要地位，因此研究?jī)?chǔ)氫材料對(duì)提高鎳氫電池性能有著舉足輕重的作用。5.2 鎳氫電池關(guān)鍵電極材料設(shè)計(jì)與制造工藝對(duì)于理想的金屬儲(chǔ)氫材料應(yīng)具備以下條件：（1)合金貯氫容量高，不小于1wt%；（2）吸放氫電催化活性好,（3）在氫的陽(yáng)極氧化電位范圍內(nèi)應(yīng)具有

12、較強(qiáng)的抗氧化能力;（4）在強(qiáng)堿性電解質(zhì)溶液中，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定;（5）反復(fù)充放電過(guò)程中，合金不易粉化;（6）充放電效率高;（7）循環(huán)使用壽命長(zhǎng)；（8）具有良好的電和熱的傳導(dǎo)性;（9) 原材料成本低廉。5.2 鎳氫電池關(guān)鍵電極材料設(shè)計(jì)與制造工藝合金類型典型氫化物吸氫質(zhì)量/%電化學(xué)容量mAh/gAB5LaNi5H61.3348330AB2ZrMn2H31.8482420ABTiFeH22.0536350A2BMg2NiH43.6965500固溶體V0.8Ti0.2H0.83.81018500典型Ni/MH負(fù)極材料及特征負(fù)極負(fù)極基體：銅網(wǎng)、鋼網(wǎng)（約厚)鋼帶（約厚)負(fù)極物質(zhì)：MH+HPMC+SBR隔膜

13、材質(zhì)：維尼綸或者 PP（聚丙烯）或者尼龍厚度：一般為 電解液性質(zhì)： 無(wú)色透明液體，具有較強(qiáng)腐蝕性。應(yīng)用： 主要用于可充電鎳氫電池的電解液。規(guī)格： 溶質(zhì)組成 KOH:LiOH:NaOH =40:1:3 （重量比） 溶劑組成 ：水 OH-濃度 7mol/l質(zhì)量指標(biāo)： 密度（25）g/cm3 電導(dǎo)率（25） 10.40.5 mscm鎳氫電池生產(chǎn)所用設(shè)備攪拌機(jī)拉漿機(jī)（上粉機(jī)）裁切機(jī)輥壓機(jī)卷繞機(jī)點(diǎn)焊機(jī)注液機(jī)化成檢測(cè)柜鎳氫電池主要材料-正極球形氫氧化亞鎳NiO(H)2 綠色球形粉末粒徑715m半導(dǎo)體，電子不導(dǎo)電，需要氧化亞鈷導(dǎo)電;覆鈷球鎳 黑色粉末，包覆氧化亞鈷導(dǎo)電，充電后形成黑色NiOOH氧化亞鈷CoO

14、 灰褐色粉末易氧化，真空包裝粒徑 0.45m充電時(shí)能形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，正常充電形成CoOOH導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，過(guò)放后容易被破壞發(fā)泡鎳99%Ni,金屬灰色多孔狀，孔率95%，用于導(dǎo)電和支撐球鎳的骨架鎳氫電池主要材料-負(fù)極貯氫合金MH 金屬灰色粉末粒徑3040m導(dǎo)體，電子導(dǎo)電；主要成分為稀土，Ni,Co,Mn,Al炭黑黑色粉末粒徑310m導(dǎo)體，電子導(dǎo)電，形成葡萄鏈狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)電；銅網(wǎng)棕紅色 99.99%銅網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)電；合金粉的支持骨架鎳氫電池主要材料-電液-隔膜-鋼殼KOH-氫氧化鉀含量9095% 白色片狀固體，屬?gòu)?qiáng)堿，有強(qiáng)腐蝕性。易溶于水，放出大量的熱；堿液為30%KOH，含有NaOH，LiOH，H2O，OH-

15、濃度78ml/L,比重隔膜材質(zhì)，多空結(jié)構(gòu)，可以離子通過(guò)，但是電子不能通過(guò)，耐強(qiáng)堿液腐蝕；2. 高性能的有磺化處理，接枝處理，提高自放電。鋼殼1. CPCEN鋼材，內(nèi)外殼鍍鎳，耐強(qiáng)堿液腐蝕；2. 柔韌性好，耐深沖。3. 耐腐蝕，不生銹；4. 圓柱形，一端開口，厚度；鎳氫電池材料-蓋帽、密封圈蓋帽-正面1. CPCC鋼材，表面鍍鎳，耐強(qiáng)堿液腐蝕；2. 分上下兩層，點(diǎn)焊連接。3. 上蓋有35個(gè)排氣口；4. 圓型，下蓋有一個(gè)防爆孔；蓋帽 反面 5. 中間為防爆球，三元乙丙橡膠；密封圈 1. 中空?qǐng)A形，內(nèi)徑和蓋帽配套，外徑和鋼殼內(nèi)徑配套；2. 底部有突出的臺(tái)階;3. 材料為尼龍-66鎳氫電池材料正極膠帶

16、1. 材質(zhì)：PP；2. 寬度410mm;3.厚度：0.06mm3. 防卷繞短路以及極耳碰到鋼殼；4. 耐強(qiáng)堿腐蝕；正極極耳1. 材質(zhì)：純鎳帶，鍍鎳鋼帶；2. 寬度2.56mm;3.厚度：0.10.12mm3. 作用為正極集流4. 抗氧化以及耐強(qiáng)堿腐蝕；鎳氫電池生產(chǎn)工藝流程配料卷繞封口包裝上粉或拉漿切小片化成注液裁大片正極上粉工藝流程送 帶上 粉正極粉料 碾壓裁小片負(fù)極拉漿工藝流程送 帶上 漿 負(fù)極漿料 負(fù)極裁片烘烤碾壓制片工藝流程正極裁小片正極浸膠正極焊極耳負(fù)極裁小片負(fù)極稱重正極貼膠紙卷繞卷繞正極軟化正極稱重裝配工藝流程卷繞滾槽壓芯注堿正、負(fù)極片配片隔膜隔膜裁剪測(cè)短路放面片、涂膠圈蓋組合焊蓋帽

17、壓蓋帽封口化成工藝流程高溫烘烤化成高溫烘烤半成品入庫(kù)補(bǔ)充電分容測(cè)電壓抽測(cè)內(nèi)阻預(yù)充電單體電池包裝工藝流程挑外觀測(cè)內(nèi)阻測(cè)電壓客戶裝盒、包裝單體包裝組裝電池包裝工藝流程單體電池包裝點(diǎn)焊連接片打膠水客戶組合套管收縮點(diǎn)焊引出片噴碼印字裝盒裝箱單體電池全檢電壓內(nèi)阻圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）設(shè)計(jì)指標(biāo) 電池種類：AA型MH-Ni電池 額定容量：1100mAh 外形尺寸：直徑(d)為（）mm 高度(H)為（）mm 額定電壓：圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程電池容量設(shè)計(jì) C=CrKc式中：C為設(shè)計(jì)容量，Cr為額定容量，1100mAh；Kc為設(shè)計(jì)安全系數(shù)，一般取，取。則: C11001210（mAh

18、）圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程極片高度設(shè)計(jì) 電池極片高度主要根據(jù)電池高度、氣室高度來(lái)確定。氣室高度一般取515mm高；隔膜應(yīng)比極板高出24mm，綜合考慮這兩點(diǎn)，因電池高為50mm，極板高度為41mm.圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程極片面積設(shè)計(jì) 對(duì)于MHNi電池，工作電流通常為600mA，工作電流密度i一般為515mA/cm2，取i=9mA/cm2，則: S600/9=66.7(cm2) SKsS86.7(cm2)式中，Ks為設(shè)計(jì)過(guò)剩系數(shù)，一般在之間，此處取。圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程極片長(zhǎng)度設(shè)計(jì)正負(fù)極片均為矩形，極片面積等于長(zhǎng)乘高的二倍，因此，極

19、片長(zhǎng)度為：圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程極片厚度設(shè)計(jì)MH-Ni電池中，通?？刂普龢O片厚度為（）mm范圍內(nèi)，負(fù)極片在（）mm范圍內(nèi)。圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程活性物質(zhì)用量的計(jì)算 活性物質(zhì)用量 m=Cq/式中，q為活性物質(zhì)電化當(dāng)量，g/(Ah); 為封口電池中活性物質(zhì)利用率，此處取80%，則： m+=1.21*3.459/0.8=5.23(g) M-=1.21/(0.25*0.6)=8.06(g)圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程活性物質(zhì)用量的計(jì)算注意：在計(jì)算m-時(shí)，由于負(fù)極是貯氫合金粉，其電化當(dāng)量不能用H2的電化當(dāng)量來(lái)計(jì)算，應(yīng)根據(jù)活性物質(zhì)粉料的電化學(xué)容量

20、、利用率計(jì)算，即m-=(C/)*式中，為貯氫材料的比容量0.25Ah/g； 為封口電池中負(fù)極活性物質(zhì)利用率。圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程電解液濃度和用量電解液用1.25-1.30g/L KOH,加入15g/LLiOH，用量一般為電池活性物質(zhì)量的18%。 malk=(5.23+8.06)*18%=2.39(g)圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程隔膜尺寸 隔膜的長(zhǎng)度一般為正負(fù)極長(zhǎng)度之和，此處為187mm，寬度比極片寬24mm，本例可取44mm，厚度通常在之間，這里取。圓柱形單體鎳氫電池設(shè)計(jì)（例一）2. 設(shè)計(jì)過(guò)程松緊度檢驗(yàn) 松緊度V1/V2*100% V1=V+V-+V隔 式中，V2為電池殼體內(nèi)空間體積。V1 V2r2h=3.14*(13.3/2)2h計(jì)算時(shí)，電池殼體內(nèi)徑取為。以上數(shù)據(jù)是根據(jù)前面指定的1100mAhAA型密封MH-Ni電池設(shè)計(jì)的。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)其裝配比為86.