镍氢快充电池及其制造方法转让专利
申请号 : CN200810027053.7
文献号 : CN101262075B
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 李中延 , 李群杰 , 陈华春
申请人 : 东莞市迈科科技有限公司
摘要 :
本发明提供的一种镍氢快充电池，包括正极、负极、电解液和电池隔膜；所述正极包括活性物质、添加剂、粘结剂；所述活性物质为含有重量百分比为3.7％-4.3％的Zn2+和1.3％-1.7％的Co2+，并添加重量百分比为6％的CoO的Ni(OH)2；所述添加剂为镍单质，含量为Ni(OH)2总重量的1％-10％；所述电解液为由KOH、NaOH或LiOH中的两种物质组成的两元电解液，电解液密度为1.28g/ml，OH-摩尔浓度为9.5mol/L。本发明提供的镍氢快充电池能在短时间内用大电流将电池充满电，且充电效率高。本发明还提供所述镍氢快充电池的制造方法。
权利要求 :
1.一种镍氢快充电池，包括正极、负极、电解液和电池隔膜；其特征在于：所述正极包括活性物质、添加剂、粘结剂；所述活性物质为含有重量百分比为3.7％-4.3％的锌离子Zn2+和1.3％-1.7％的二价钴离子Co2+，并添加重量百分比为6％的氧化钴CoO的氢氧化镍Ni(OH)2；所述添加剂为镍单质，含量为氢氧化镍Ni(OH)2总重量的1％-10％；
所述电解液为由氢氧化钾KOH、氢氧化钠NaOH或氢氧化锂LiOH中的两种物质组成的两元电解液。
2.如权利要求1所述的镍氢快充电池，其特征在于：电解液密度为1.28g/mL，氢氧根离子OH-摩尔浓度为9.5mol/L。
3.如权利要求1所述的镍氢快充电池，其特征在于：所述粘结剂为聚四氟乙烯。
4.一种制造如权利要求1所述的镍氢快充电池的方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，采用含有重量百分比为3.7％-4.3％的锌离子Zn2+和1.3％-1.7％的二价钴离子Co2+，并添加重量百分比为6％的氧化钴CoO的氢氧化镍Ni(OH)2作为电池的正极活性物质，再加入重量百分比为1％-10％镍单质作为添加剂，加入重量百分比为0.5％的聚四氟乙烯干粉混合成正极料；
第二步，将正极浆料涂敷到正极基体上，经过辊压和裁切工序制成电池正极板；
第三步，将正极片、隔膜纸、负极片依次层叠卷绕构成电极组，将电极组装入电池钢壳内；
第四步，注入电解液，密闭电池壳体，经过充电化成即制造出镍氢快充电池。
说明书 :
技术领域
本发明涉及二次电池制造领域，特别是指能大电流快速充电的镍氢电池。
背景技术
镍氢电池是早期的镍镉电池的替代产品，镍氢电池和镍镉电池外形上相似，而且镍氢电池的正极与镍镉电池也基本相同，都是以氢氧化镍为正极，主要区别在于镍镉电池负极板采用的是镉活性物质，而镍氢电池是以高能贮氢合金为负极，因此镍氢电池具有更大的能量。同时镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池亦基本相似，故镍氢电池在使用时可完全替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。它是目前最环保的电池，不再使用有毒的镉，可以消除重金属元素对环境带来的污染问题。镍氢电池具有较大的能量密度比，这意味着可以在不为数码设备增加额外重量的情况下，使用镍氢电池能有效地延长设备的工作时间。同时镍氢电池在电学特性方面与镍镉电池亦基本相似，在实际应用时完全可以替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。镍氢电池另一个优点是：大大减小了镍镉电池中存在的“记忆效应”，这使镍氢电池可以更方便地使用。
目前，镍氢电池的一个重要用途是应用在电动工具领域中，由于近年来无绳可充电的电动工具快速发展，给人们带来了极大方便。而电动工具在使用过程中要求大流量放电，另外，为了缩短充电时间也要求镍氢电池应具有大流量充电功能。然而，现有的镍氢二次充电电池能承受的充电电流小，充电耗用时间长，大电流充电效率低且安全性能低。
目前，镍氢电池的一个重要用途是应用在电动工具领域中，由于近年来无绳可充电的电动工具快速发展，给人们带来了极大方便。而电动工具在使用过程中要求大流量放电，另外，为了缩短充电时间也要求镍氢电池应具有大流量充电功能。然而，现有的镍氢二次充电电池能承受的充电电流小，充电耗用时间长，大电流充电效率低且安全性能低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能在短时间内用大电流将电池充满电，且充电效率高的镍氢快充电池。
本发明的目的还在于提供上述镍氢快充电池的制造方法。
为实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种镍氢快充电池，包括正极、负极、电解液和电池隔膜；
所述正极包括活性物质、添加剂、粘结剂；所述活性物质为含有Zn2+(3.7-4.3wt％)、Co2+(1.3-1.7wt％)，并添加重量百分比为6％的CoO的Ni(OH)2；所述添加剂为镍单质，含量为Ni(OH)2总重量的1％-10％；
所述电解液为由KOH、NaOH或LiOH中的两种物质组成的两元电解液。
所述电解液密度为1.28g/ml，OH-摩尔浓度为9.5mol/L。
所述粘结剂为聚四氟乙烯。
所述镍氢快充电池的制造方法，包括以下步骤：
第一步，采用含有Zn2+(3.7-4.3wt％)、Co2+(1.3-1.7wt％)，并添加重量百分比为6％的CoO的Ni(OH)2作为电池的正极活性物质，再加入重量百分比为1％-10％镍单质作为添加剂，加入0.5wt％的PTFE(聚四氟乙烯)干粉混合成正极料；
第二步，将正极料涂敷到正极基体上，经过辊压和裁切工序制成电池正极板；
第三步，将正极片、隔膜纸、负极片依次层叠卷绕构成电极组，将电极组装入电池钢壳内；
第四步，注入电解液，密闭电池壳体，经过充电化成即制造出镍氢快充电池。
采用上述方案后，虽然本发明与现有镍氢二次电池在结构上一致，但由于在正极中加入了重量百分比为6％的CoO和1％-10％的镍单质，并且改进了电解液的配方，从而解决现有镍氢二次充电电池在充电过程中存在的承受的充电电流小，充电耗用时间长的问题，达到快速充电的目的。
本发明的目的还在于提供上述镍氢快充电池的制造方法。
为实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种镍氢快充电池，包括正极、负极、电解液和电池隔膜；
所述正极包括活性物质、添加剂、粘结剂；所述活性物质为含有Zn2+(3.7-4.3wt％)、Co2+(1.3-1.7wt％)，并添加重量百分比为6％的CoO的Ni(OH)2；所述添加剂为镍单质，含量为Ni(OH)2总重量的1％-10％；
所述电解液为由KOH、NaOH或LiOH中的两种物质组成的两元电解液。
所述电解液密度为1.28g/ml，OH-摩尔浓度为9.5mol/L。
所述粘结剂为聚四氟乙烯。
所述镍氢快充电池的制造方法，包括以下步骤：
第一步，采用含有Zn2+(3.7-4.3wt％)、Co2+(1.3-1.7wt％)，并添加重量百分比为6％的CoO的Ni(OH)2作为电池的正极活性物质，再加入重量百分比为1％-10％镍单质作为添加剂，加入0.5wt％的PTFE(聚四氟乙烯)干粉混合成正极料；
第二步，将正极料涂敷到正极基体上，经过辊压和裁切工序制成电池正极板；
第三步，将正极片、隔膜纸、负极片依次层叠卷绕构成电极组，将电极组装入电池钢壳内；
第四步，注入电解液，密闭电池壳体，经过充电化成即制造出镍氢快充电池。
采用上述方案后，虽然本发明与现有镍氢二次电池在结构上一致，但由于在正极中加入了重量百分比为6％的CoO和1％-10％的镍单质，并且改进了电解液的配方，从而解决现有镍氢二次充电电池在充电过程中存在的承受的充电电流小，充电耗用时间长的问题，达到快速充电的目的。
附图说明
图1为本发明镍氢快充电池的剖视图。
具体实施方式
下面实施例用以详细说明本发明提供的镍氢快充电池，同时举比较例证明本发明提供的镍氢快充电池在大电流充电情况下的充电效率得到提高的事实，但以下实施例并不用于限定本发明的权利范围。
为方便区分描述，本方法使用的含有Zn2+、Co2+的Ni(OH)2，在下文中均用“特殊Ni(OH)2”表示。本发明中的正极活性物质与粘结剂的添加量同现有技术中的常规添加范围。
实施例1：
将特殊Ni(OH)2、CoO、镍粉按100∶6∶6的重量比例混合搅拌均匀，均匀涂覆在发泡镍制成的基体上，经过辊压、裁切、焊接等工序，制成正极片(由于电池正极板的制造方法为公知技术，且非本发明的重点，所以文中不予详述)。。
将储氢合金粉、乙炔黑、镍粉按100∶0.5∶0.5的重量比例混合，加入适量的粘结剂和水搅拌均匀，均匀涂覆在镀镍钢带上，经过烘干、辊压、裁切、焊接等工序，制成负极片(由于电池负极板的制造方法为公知技术，且非本发明的重点，所以文中不予详述)。
在30％(wt％)的NaOH水溶液中加入1.5％(wt％)的LiOH，搅拌均匀，冷却即可制成本方法使用的电解液。
参见图1，将正极片1、负极片2和聚丙烯材料制成的电池隔膜3一起依次层叠卷绕构成电极组，将电极组装入电池钢壳4内，注入电解液，密闭电池壳体，经过充电化成即制造出镍氢快充电池。为了方便制作，制作电池容量约为2000mAh。
比较例1：
在比较例1中，制作正极板时未添加镍粉作为添加剂，其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例1的镍氢快充电池。
比较例2：
在比较例2中，制作正极片时未添加镍粉作为添加剂，使用钴粉作为添加剂。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例2的镍氢快充电池。
比较例3：
在比较例3中，制作电解液时不使用NaOH，而使用KOH。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例3的镍氢快充电池。
比较例4：
在比较例4中，制作电解液时没有不使用LiOH，使用KOH。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例4的镍氢快充电池。
比较例5：
在比较例5中，制作正极片时添加镍粉量为1wt％。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例5的镍氢快充电池。
比较例6：
在比较例6中，制作正极片时添加镍粉量为10wt％。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例6的镍氢快充电池。
然后，将制作实施例1和比较例1-6制作的电池用200mA充电14小时，用400mA放电到1.0V，循环3次，从而活化实施例1和比较例1-6制作的镍氢快充电池。
将活化过的电池实例各取5节进行测试，测试结果取其平均值。
检测电池大电流充电情况下的充电效率方法是：将各实施例和比较例电池用2C倍率在-ΔV＝10mV的情况下充电30分钟，0.5C倍率放电到1.0V，计算电池放电容量，并与该电池在0.5C倍率充电144分钟(-ΔV＝10mV)，0.5C倍率放电到1.0V电池放电容量比较，从而考察其在大电流充电情况下的充电效率。将大电流充电后的电池放电容量与该电池在0.5C倍率充电144分钟(-ΔV＝10mV)，0.5C倍率放电到1.0V电池放电容量的比值用百分比表示。
实施例1与各比较例电池的检测结果如附表1所示：
附表1
正极添 加镍粉 正极添 加钴粉 电解液 用 NaOH 电解液 用 KOH 电解液 用 LiOH 镍粉添加 比例 1wt％ 镍粉添加 比例 6wt％ 镍粉添加 比例 10wt％ 充电效率 实施例1 是 否 是 否 是 否 是 否 95％ 比较例1 否 否 是 否 是 否 是 否 62％ 比较例2 否 是 是 否 是 否 是 否 70％ 比较例3 是 否 否 是 是 否 是 否 74％ 比较例4 是 否 是 是 否 否 是 否 76％ 比较例5 是 否 是 否 是 是 否 否 80％
正极添 加镍粉 正极添 加钴粉 电解液 用 NaOH 电解液 用 KOH 电解液 用 LiOH 镍粉添加 比例 1wt％ 镍粉添加 比例 6wt％ 镍粉添加 比例 10wt％ 充电效率 比较例6 是 否 是 否 是 否 否 是 82％
由上表示，与不添加镍粉的比较例1电池相比，添加了镍粉的比较例3-6电池在大电流充电情况下的充电效率有所提高。
与添加了镍粉的比较例3电池相比，电解液使用NaOH的比较例4-6电池，其在大电流充电情况下的充电效率得到进一步提高。
与添加了镍粉和电解液使用NaOH的比较例4电池相比，电解液使用LiOH的比较例5-6电池，其在大电流充电情况下的充电效率得到更进一步提高。
但添加了6wt％镍粉和电解液使用NaOH和LiOH的制作实例1电池，与以上比较例1、2、3、4、5、6的电池比较，其在大电流充电情况下的充电效率得到最大的提高。
综上所述，本发明提供的镍氢快充电池由于正极中添加了重量百分比为6％的镍的单质作为添加剂，并且电解液使用了NaOH和LiOH两元电解液，从而使本发明用2C倍率在-ΔV＝10mV的情况下充电30分钟，其充电效率高达95％，实现了在短时间内用大电流将电池充满电，且不存在充电效率低及安全问题。
为方便区分描述，本方法使用的含有Zn2+、Co2+的Ni(OH)2，在下文中均用“特殊Ni(OH)2”表示。本发明中的正极活性物质与粘结剂的添加量同现有技术中的常规添加范围。
实施例1：
将特殊Ni(OH)2、CoO、镍粉按100∶6∶6的重量比例混合搅拌均匀，均匀涂覆在发泡镍制成的基体上，经过辊压、裁切、焊接等工序，制成正极片(由于电池正极板的制造方法为公知技术，且非本发明的重点，所以文中不予详述)。。
将储氢合金粉、乙炔黑、镍粉按100∶0.5∶0.5的重量比例混合，加入适量的粘结剂和水搅拌均匀，均匀涂覆在镀镍钢带上，经过烘干、辊压、裁切、焊接等工序，制成负极片(由于电池负极板的制造方法为公知技术，且非本发明的重点，所以文中不予详述)。
在30％(wt％)的NaOH水溶液中加入1.5％(wt％)的LiOH，搅拌均匀，冷却即可制成本方法使用的电解液。
参见图1，将正极片1、负极片2和聚丙烯材料制成的电池隔膜3一起依次层叠卷绕构成电极组，将电极组装入电池钢壳4内，注入电解液，密闭电池壳体，经过充电化成即制造出镍氢快充电池。为了方便制作，制作电池容量约为2000mAh。
比较例1：
在比较例1中，制作正极板时未添加镍粉作为添加剂，其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例1的镍氢快充电池。
比较例2：
在比较例2中，制作正极片时未添加镍粉作为添加剂，使用钴粉作为添加剂。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例2的镍氢快充电池。
比较例3：
在比较例3中，制作电解液时不使用NaOH，而使用KOH。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例3的镍氢快充电池。
比较例4：
在比较例4中，制作电解液时没有不使用LiOH，使用KOH。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例4的镍氢快充电池。
比较例5：
在比较例5中，制作正极片时添加镍粉量为1wt％。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例5的镍氢快充电池。
比较例6：
在比较例6中，制作正极片时添加镍粉量为10wt％。其它均与制作实施例1相同的方法制作出比较例6的镍氢快充电池。
然后，将制作实施例1和比较例1-6制作的电池用200mA充电14小时，用400mA放电到1.0V，循环3次，从而活化实施例1和比较例1-6制作的镍氢快充电池。
将活化过的电池实例各取5节进行测试，测试结果取其平均值。
检测电池大电流充电情况下的充电效率方法是：将各实施例和比较例电池用2C倍率在-ΔV＝10mV的情况下充电30分钟，0.5C倍率放电到1.0V，计算电池放电容量，并与该电池在0.5C倍率充电144分钟(-ΔV＝10mV)，0.5C倍率放电到1.0V电池放电容量比较，从而考察其在大电流充电情况下的充电效率。将大电流充电后的电池放电容量与该电池在0.5C倍率充电144分钟(-ΔV＝10mV)，0.5C倍率放电到1.0V电池放电容量的比值用百分比表示。
实施例1与各比较例电池的检测结果如附表1所示：
附表1
正极添 加镍粉 正极添 加钴粉 电解液 用 NaOH 电解液 用 KOH 电解液 用 LiOH 镍粉添加 比例 1wt％ 镍粉添加 比例 6wt％ 镍粉添加 比例 10wt％ 充电效率 实施例1 是 否 是 否 是 否 是 否 95％ 比较例1 否 否 是 否 是 否 是 否 62％ 比较例2 否 是 是 否 是 否 是 否 70％ 比较例3 是 否 否 是 是 否 是 否 74％ 比较例4 是 否 是 是 否 否 是 否 76％ 比较例5 是 否 是 否 是 是 否 否 80％
正极添 加镍粉 正极添 加钴粉 电解液 用 NaOH 电解液 用 KOH 电解液 用 LiOH 镍粉添加 比例 1wt％ 镍粉添加 比例 6wt％ 镍粉添加 比例 10wt％ 充电效率 比较例6 是 否 是 否 是 否 否 是 82％
由上表示，与不添加镍粉的比较例1电池相比，添加了镍粉的比较例3-6电池在大电流充电情况下的充电效率有所提高。
与添加了镍粉的比较例3电池相比，电解液使用NaOH的比较例4-6电池，其在大电流充电情况下的充电效率得到进一步提高。
与添加了镍粉和电解液使用NaOH的比较例4电池相比，电解液使用LiOH的比较例5-6电池，其在大电流充电情况下的充电效率得到更进一步提高。
但添加了6wt％镍粉和电解液使用NaOH和LiOH的制作实例1电池，与以上比较例1、2、3、4、5、6的电池比较，其在大电流充电情况下的充电效率得到最大的提高。
综上所述，本发明提供的镍氢快充电池由于正极中添加了重量百分比为6％的镍的单质作为添加剂，并且电解液使用了NaOH和LiOH两元电解液，从而使本发明用2C倍率在-ΔV＝10mV的情况下充电30分钟，其充电效率高达95％，实现了在短时间内用大电流将电池充满电，且不存在充电效率低及安全问题。