圆柱密封铁镍碱性蓄电池铁电极集流结构研究

豫技　圆柱密封铁镍碱性蓄电池铁电极集流结构研究　阎登明，欧霜辉，毛磊，余海生，陈伟明　（佛山市南海新力电池有限公司，广东佛山５２８２２２）　

摘要：根据圆柱密封铁镍碱性蓄电池的特殊情况，设计了圆柱密封铁镍碱性蓄电池的铁电极集流结构，提供了圆柱密封　铁镍碱性蓄电池的制造方法。保证了圆柱密封铁镍碱性蓄电池具有结构合理、电性能优良、使用寿命更长等优点。　关键词：圆柱密封铁镍碱・眭蓄电池；集流结构；石墨乳　中图分类号：ＴＭ　９１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—０８７　Ｘ（２０１６）１１—２１８４—０２　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｉｒｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｏｉｌ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｓｅａｌｅｄ　ａｌｋａｌｉｎｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ＹＡＮ　Ｄｅｎｇ—ｍｉｎｇ，ＯＵ　Ｓｈｕａｎｇ－ｈｕｉ，ＭＡＯ　Ｌｅｉ，ＹＵ　Ｈａｉ—ｓｈｅｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ—ｍｉｎｇ　（ＮａｎｈａｉＳａｎｉｋＢａｔｔｅｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＦｏｓｈａｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ５２８２２２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌｌｙ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｓｅａｌｅｄ　ｉｒｏｎ　ｎｉｃｋｌｅ　ａｌｋａｌｉｎｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｂａｆｆｅｒｙ，ａ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｒｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｓｅａｌｅｄ　ｉｒｏｎ　ｎｉｃｋｅＩ　ａｌｋａｌｉｎｅ　ｂａｔ【ｅｒｙ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．　Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｓｅａｌ　ｉｒｏｎ　ｎｉｃｋｅｌ　ａｌｋａｌｉｎｅ　ｂａｋｅｒｙ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｐｅｆｏｒｍａｎｃｅ，ｌｏｎｇｅｒ　ｌｉｆｅ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｓｅａｌｅｄ　ｎｉｃｋｅｌ——ｉｒｏｎ　ａｌｋａｌｉｎｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｗｅｒｅ　ｅｎｓｕｒｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｓｅａｌｅｄ　ｎｉｃｋｌｅ　ｉｒｏｎ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｂａｋｅｒｙ；ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｑｕａｄａｇ　

１８８７年Ｄｅｓｍａｚ￣ｅｓ等揭示了氧化镍作为正极活性物质　在碱性电池中应用的可能性，１８９５年瑞典的Ｊｕｎｇｅｒ发明了镉　镍蓄电池，１９００年美国的Ｅｄｉｓｏｎ研制了铁镍蓄电池，自此人　们开始了对此绿色环保蓄电池的研究，到１９１０年铁镍蓄电池　就开始商业化生产。近年来，随着太阳能、风能产业发展和大　型储能的需要，铅酸电池、镉镍电池存在污染，锂电池具有潜　在的安全问题，而铁镍电池具有安全、环保、结构坚固、能量密　度高、使用寿命长等优点。袋式（ｐｏｃｋｅｔ）铁镍电池循环寿命可　以达到３　０００次以上甚至１０　０００次，单体容量可达３　０００　Ａｈ　以上，可以使用２Ｏ年甚至更长时间，其放电工作电压平台长　且稳定，还具有优良的过充电、过放电性能和存储性能。制作　铁镍电池所用的活性物质原材料价格便宜，报废后的蓄电池　对环境无害，不会对环境产生二次污染问题，被称为绿色环保　蓄电池。由此，国内外又加快了新型铁镍电池研发的步伐。　１铁镍电池基本原理　铁镍电池是一种碱性蓄电池，负极活性物质为铁粉、四氧　化三铁，正极活性物质为氢氧化镍，电解液为氢氧化钾或氢氧　化钠的水溶液，添加剂为氢氧化锂。　铁镍电池总反应为：　Ｆｅ＋ＮｉＯＯＨ＋２　Ｈ２０　＝　；　兰Ｆｅ（０Ｈ）２＋Ｎｉ（ＯＨ）２　铁镍电池的基本反应为：　

收稿日期：２０１６—０４—０８　作者简介：阎登明（１９５５一），男。四川省人，高级工程师，主要研究　方向为化学电源。　

２Ｏ１６　１　１　Ｖ０Ｉ　４０　Ｎｏ　１　１　

２　ＮｉＯＯＨ＋２　Ｈ２０＋Ｆｅ　２　Ｎｉ（ＯＨ）２＋Ｆｅ（ＯＨ）２　铁电极基于该反应的理论比容量为９６０　ｍＡｈ／ｇ，该体系的　开路电压为１．３３　Ｖ。由活性铁氧化到Ｆｅ（ＯＨ）：是铁电极放电反　应的第一步。　在继续进行的放电反应中，铁电极被氧化到Ｆｅ，Ｏ　－４　Ｈ２Ｏ，　反应式为：　

８　ＮｉＯＯＨ＋８　Ｈ２０＋３　Ｆｅ，－．－－－＃…￣’－－Ｆｅ３Ｏ４・４　Ｈ２０＋８　Ｎｉ（ＯＨ）２　铁电极基于该反应的理论比容量为１　２８０　ｍＡｈ／ｇ，是镉电　极理论比容量４８０　ｍＡｈ／ｇ的２．６７倍，是ＭＨ电极理论比容量　３６０　ｍＡｈ／ｇ的３．５６倍。　该体系的开路电压为１．３３　Ｖ，放电额定电压１．２　Ｖ。开口铁　镍电池终止电压１．０　Ｖ，密封铁镍电池放电终止电压０．８　Ｖ。　２圆柱密封铁镍碱性蓄电池结构　

２．１传统集流结构装配和新研发集流结构装配工艺　机理　传统的集流结构工艺是让负极直接接触钢壳的镀镍层，　比如镉镍电池和氢镍电池，它们的负极材料在碱液中和钢壳　的镀镍层直接接触，由于镉电极与贮氢合金负极相对钢壳的　镀镍层的析氢地位不会形成原电池，隔膜是隔离正负极。一般　来说，在锌镍电池中，为了避免锌负极和钢壳负极直接接触，　采用隔膜纸全包锌负极点极耳工艺，达到隔离的效果［１－２］。在圆　柱形的密封铁镍电池中，在碱性溶液中，钢壳的镀镍层为中析　氢过电位金属（析氢过电位在０．５　Ｖ以下）。如果铁电极直接和　钢壳接触，就会加速铁电极在充放电过程中的析氢过程。必须　

２１　８４　隔离铁负极四氧化三铁与钢壳内壁镀镍层（本身铁负极和钢壳　都是负极）。而采取均匀地在钢壳内壁涂一层石墨乳，隔开铁负　极的四氧化三铁与钢壳镀镍层的接触，铁负极和钢壳隔离结　构引出负极极耳点焊到钢壳底部的工艺，则成功地避免了铁　电极与钢壳内壁和底部镀镍层的接触（整个电池内部，严防铁　负极的四氧化三铁与钢壳内壁和底部的镀镍层接触），抑制了　铁电极由此产生的析氢，保证了充放电的正常进行，提高了铁　镍电池的荷电保持能力和电池的循环寿命。这在圆柱形铁镍　密封电池中是第一次。　２．２　ＡＡ８００　ｍＡｈ圆柱密封铁镍电池集流结构装配　２．２．１镍正极板制造　配料：科隆４．３球镍，氧化亚钴，粘接剂配成正极浆料。　发泡镍：大连爱蓝天，ＰＰＩ１１０。　流程：拉浆一烘干（９５、１２５、１１０、９０℃）一压片一分片一切　片一点极耳一贴胶一软化一正极片。　２．２．２铁负极板制造　镀锡铜带极耳：厚度０．１￣ｏ．２／ｌｑ／ｌ＇ｌ的镀锡铜带，镀锡层厚　１．５　ｍ，裁切制成宽度２．５－－６　ｒａｉｎ的镀锡铜带极耳。　负极活性物质８０％的四氧化三铁和１　５％的导电剂，适量　的添加剂和粘合剂，搅拌混合制成负极物质浆料。　用厚度０．０８１ＴＩＩＴＩ、宽度４０ｍｒｎ的穿孔镀镍钢带拉浆，两白　边宽度ｌ～１．５　ｍｒｎ，拉浆温度１１０～１３０℃，经压片、切片、点焊　极耳、贴高温耐碱胶制成铁负极板。　镀镍钢壳涂导电石墨乳，涂层厚度０．０５　ｉｎｎｑ，８０～８５℃烘　干　２．２．３集流结构和装配　正负极板置于隔膜居中卷绕，卷绕结束，负极镀锡铜带极　耳穿过卷绕中心孔往外翻折贴紧钢壳，入壳。负极露出部分紧　贴涂有石墨乳的钢壳内壁。　点焊针从卷绕中心孔处点焊负极极耳２～３点经滚槽一涂　密封胶一点焊盖帽一注液一封口一化成分容一入仓。新型圆　柱密封铁镍电池集流结构与传统的圆柱镉镍及氢镍电池集流　结构对比如图１所示。　镀锡铜带极耳　

钢壳　钢壳　－　ｌ　ｒ；　０　Ｊ　之　。　Ｉ　’＿｜　，　隔膜纸　０　壬够负极　、一＿、曼　正极　

：：＾　一一　负极　石墨乳涂层　隔膜纸　

图１　新型圆柱密封铁镍电池集流结构（左图）和传统的圆柱镉镍　及氢镍电池集流结构示意图　

３实验结果　为了考察传统集流结构装配（负极与钢壳接触）的圆柱铁　镍密封碱性蓄电池和新研究的集流结构装配方式ｆ石墨乳涂层　隔离负极与钢壳的接触，负极用贴高温耐碱胶极耳点焊到钢　壳底部）的储存性能，两种电池同时以０．５　ＩｒＡ恒流充电１４４　ｍｉｎ，０．５　ＩｔＡ放电至终止电压０．８　Ｖ，恒流放电循环化成好，再　用１．０　ＩｔＡ恒流充电７２　ｍｉｎ，然后在４５℃条件下搁置。两种装　配方式的电池电压对比如表１所示。　

搁置前　搁置３天　搁置５天　搁置１Ｏ天　搁置１５天　搁置２０天　搁置３０天　装配方式　备注　电压，Ｖ　电压，ｖ　电压／Ｖ　电压，、，　电压／Ｖ　电压／ｖ　电压／Ｖ　传统集流　两种集流结构装配电池　结构装配　１－３８～１＿３９　１．３０￣１．３１　１．２８～１．２９　１．１９～ｌ＿２０　１．０８～１．１１　０．２０－－０．９９　０．００－０．６０　采用同一配方极板

、相　

新型集流　同化成制度、同一型号　结构装配　１．３８－１．３９　１．３４￣１．３５　１－３３～１．３４　１ｌ３２～１＿３３　１．３１～１．３２　１．３Ｏ～１．３１　１．２９￣１．３ｌ　容量电池　

由表１可见，搁置５天后，传统集流结构装配的电池电压　下降了７％，而新的集流结构装配电池电压下降了３．６％；搁置　２０天后，传统集流结构装配的电池电压下降了２９％～８２％，而　新的集流结构装配电池电压下降了５．７％～５　Ｂ％；搁置３０天　后，传统集流结构装配的电池电压下降了５７％￣１００％，而新的　集流结构装配电池电压下降了６％～７％。　４结语　针对圆柱密封铁镍电池在储存期间电池电压普遍下降的　问题，本文设计改进了圆柱密封铁镍碱性蓄电池的集流装配　结构，完善了圆柱密封铁镍碱性蓄电池的制造方法。该圆柱密　封铁镍碱性蓄电池具有结构合理、电性能优良、使用寿命更长　等优点。　参考文献：　［１】马如骏，边树华，倪天明，等．外壳为负极的锌镍二次密封圆柱碱　性电池及其制造方法：中国，２０１３．２０１２２０２２０６５５．６［Ｐ］．２０１３－０２—０２．　［２］迟伟伟．密封锌镍电池负极及电解液的研究［Ｄ］．长沙：中南大学，　２０１Ｏ：１２—１３．　

、。；》、：　、ｌ二；　、　ｊ　、二　）、二；　、一；　、　一　一；）　一　—’　。　一≯’一　一　一；　一≯—　一　～　）一　一　

２１　８５　２０１６．１　１　Ｖｏ１．４０　Ｎ０．１　１