高倍率sc-500mwhmhni電池的研制

高倍率sc-500mwhmhni電池的研制

目前，無繩電動(dòng)工具、電動(dòng)玩具、電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車等可充電源主要集中在鎘、電池和鉛酸電池上。根據(jù)預(yù)測(cè),由于環(huán)保問題,鎘鎳電池和鉛酸電池將逐漸退出市場(chǎng),圓柱型高倍率SC型和D型MH/Ni電池將占據(jù)主要市場(chǎng)。高倍率MH/Ni電池主要存在:充電時(shí)電池過熱;在寬溫度范圍(-30～65℃)使用困難,性能難以發(fā)揮;電池高倍率放電時(shí),循環(huán)壽命縮短等問題。針對(duì)這些,本文通過選擇覆鈷球鎳做正極活性材料,負(fù)極選用適當(dāng)類型的儲(chǔ)氫合金混合,采用導(dǎo)電粘接劑,在堿液中加入提高正極充電效率的物質(zhì),通過預(yù)充電熱處理的化成方法,制備出的D8000PH電動(dòng)自行車用電池和SC2500PH電動(dòng)工具用電池,很好地解決了上述3個(gè)問題。1分析和解決問題的方法1.1mh/ni電池過充電時(shí)熱效應(yīng)MH/Ni電池在充電過程中,由于氫進(jìn)入儲(chǔ)氫合金晶格中,造成放熱;充電后期,正極析出的氧氣在負(fù)極發(fā)生化學(xué)復(fù)合時(shí)也會(huì)放熱。另一方面,負(fù)極由于吸氫量達(dá)到一定程度后,減慢了氫的吸收速度,正極析出的氧氣與負(fù)極產(chǎn)生的氫結(jié)合,迅速放熱,造成MH/Ni電池在充電后期的電池溫度迅速上升,從而產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。鎘鎳電池充電后期熱效應(yīng)主要是由于正極析出的氧氣在負(fù)極的復(fù)合而產(chǎn)生,因此熱效應(yīng)要小得多。MH/Ni電池充電過程中負(fù)極儲(chǔ)氫時(shí),氫進(jìn)入儲(chǔ)氫合金晶格放熱,我們無法解決。而提高正極充電效率,抑制正極正常充電時(shí)氧氣的產(chǎn)生,能較好地解決正常充電過程中電池過熱問題。同時(shí),提高負(fù)極容量,特別是負(fù)極預(yù)留量,使負(fù)極在電池過充電時(shí),特別是正極產(chǎn)生氧氣的時(shí)候,負(fù)極仍然保持良好的吸附氫的能力,減少氫的析出及氫和氧的復(fù)合,是解決MH/Ni電池過充電時(shí)過熱的根本途徑。圖1中顯示了MH/Ni電池中正負(fù)極容量的構(gòu)成。采用預(yù)充電熱處理工藝生產(chǎn)的MH/Ni電池,可以通過調(diào)整電池預(yù)充電容量,提高負(fù)極活化后的容量和電池負(fù)極預(yù)充量和預(yù)留量,使負(fù)極預(yù)留量保持較高比例,使負(fù)極在正極過充電時(shí)保持良好的吸附氫能力,使MH/Ni電池過熱現(xiàn)象得到較好地解決。1.2電池高溫下含多酚含量的電池的高溫管理系統(tǒng)要解決電池高溫充電時(shí)正極充電效率低的問題,選擇高溫吸氫平臺(tái)壓力(PCT)適當(dāng)?shù)膬?chǔ)氫合金,也是提高高溫充電效率的一個(gè)因素。因此,正負(fù)極選擇導(dǎo)電性良好的發(fā)泡鎳基體,選用覆鈷加鋅球鎳提高正極充電效率,在堿液中添加正極氧氣抑制劑降低正極充電時(shí)的析氧能力,選擇含鈷量高的儲(chǔ)氫合金,降低負(fù)極析氫平臺(tái)壓力,是MH/Ni電池高溫應(yīng)用的主要解決方法。電池在低溫時(shí)使用的主要問題來源于負(fù)極。采用富鑭型的儲(chǔ)氫合金,同時(shí)采用低鈷合金與高鈷合金混合使用,可以較好地改善負(fù)極在低溫下的性能。1.3高倍率放電時(shí)電池內(nèi)阻和內(nèi)阻的影響因素電池高倍率放電能力主要受正負(fù)極影響。正極采用覆鈷加鋅的球鎳,在電解液中添加NaOH?？梢院芎玫靥岣哒龢O的高倍率放電性能。而負(fù)極通過維持一定比例的預(yù)充量,也可以較好地提高負(fù)極的高倍率放電能力。電池在高倍率下放電時(shí),循環(huán)壽命主要受3個(gè)方面的影響:①電池正極在高倍率放電時(shí)容易膨脹,從而影響正極容量和降低壽命。選用高孔隙率發(fā)泡鎳提高正極填充率和降低正極極片厚度,提高正極極片的均勻性,保持良好的卷繞緊密度是解決正極膨脹的主要方法。②高倍率放電時(shí)電池發(fā)熱也會(huì)影響電池壽命。通過降低電池內(nèi)阻可以減少電池放電發(fā)熱現(xiàn)象。③負(fù)極合金在高倍率放電沖擊下,會(huì)發(fā)生晶體變細(xì)等行為,從而增加活性物質(zhì)之間的結(jié)合內(nèi)阻,降低了負(fù)極放電容量。選用導(dǎo)電型的PTFE粘接劑,既不影響負(fù)極導(dǎo)電劑,又增強(qiáng)了負(fù)極柔韌性和負(fù)極抗高倍率放電的能力,改善了循環(huán)壽命。通過上述改進(jìn)方法,我們制備的電池常溫下充滿電時(shí),在-20℃下1C放電接近90%容量,40℃充電效率達(dá)80%以上,適用于電動(dòng)自行車的D8000PH電池,以及12A放電,循環(huán)壽命300次以上的SC2500PH電池。2電池極板和電極電池正負(fù)極都采用發(fā)泡鎳涂膏方式制備,正極選用進(jìn)口覆鈷加鋅球鎳,加入少量CoO做添加劑,INCO255#鎳粉做導(dǎo)電劑。負(fù)極采用法國羅地亞公司的LXR-2C儲(chǔ)氫合金(含鈷量約10.5%)和LXR-3C儲(chǔ)氫合金(含鈷量約7.0%)混合使用,采用PTFE和乙炔黑形成的導(dǎo)電粘接劑,加入CMC配漿。SC2500PH型電池正極極板尺寸是208×32×0.68mm,負(fù)極極板尺寸是255×33×0.38mm。正極質(zhì)量11.8g,負(fù)極質(zhì)量16.1g,正極采用3個(gè)極耳。負(fù)極采用1個(gè)極耳。采用改進(jìn)性能的聚丙烯隔膜,電解液為7.0mol/L的KOH溶液,添加LiOH和NaOH以及加入氧氣抑制劑。注液量為5.6g。D8000PH型電池制作方式基本相似。電池封口后,進(jìn)行的第1次充電稱為預(yù)充電。電池預(yù)充電采用0.1C充電30min,0.2C充電2h,預(yù)充電比例為45%。電池進(jìn)行預(yù)充電后,在80℃高溫下進(jìn)行熱處理。然后電池取出,進(jìn)行分容和性能測(cè)試。3電池性能測(cè)試3.1放電電池測(cè)試常溫25℃下,SC2500PH電池采用1C充電72min,D8000PH電池采用0.5C充電150min。電池充滿電后,擱置20min,SC2500PH電池分別以1C、5C、10C、12C放電到1.0V、0.8V、0.7V、0.6V,測(cè)試電池容量。D8000PH電池分別以1C、2C、3C、3.75C(30A)放電到0.9V、0.8V、0.7V、0.6V,測(cè)試電池容量。測(cè)試結(jié)果見圖2a～2b。從測(cè)試結(jié)果看,上述SC2500PH電池在10C放電時(shí)容量達(dá)標(biāo)稱容量的106%,D8000PH電池在3C放電時(shí)容量在標(biāo)稱容量100%,具有良好的高倍率放電能力。圖2C顯示了SC2500PH電池高倍率放電性能,可以看出:SC2500PH電池在5C、10C、12C放電時(shí)的中點(diǎn)電壓分別是1.12V、1.0V和0.9V。顯示電池具有非常良好的高倍率放電性能。3.2電池過充充電溫度電池在環(huán)境溫度25℃下,D8000PH電池采用0.5C充電3h,SC2500PH電池采用1C充電120min,圖3是兩種電池的充電電壓與溫度對(duì)時(shí)間的曲線。電池在過充電時(shí)檢查,均未發(fā)現(xiàn)漏氣或漏液。電池再擱置60min后,SC2500PH電池采用10C放電,容量為2300mAh;D8000PH電池采用30A放電容量為7700mAh。從圖3a中可以看出,D8000PH電池即使采用0.5C快速充電,當(dāng)電池充電120min時(shí),即電池充入電量100%時(shí),電池溫度保持平穩(wěn),低于30℃。而電池電壓出現(xiàn)壓降,顯示電池充電完成時(shí),電池溫度上升到50℃。即使電池采用0.5C過充電150%,電池溫度僅80℃左右,顯示電池具有良好的充電能力。而圖3b中可以看出,SC2500PH電池采用1C充電在充入電量100%時(shí),溫度也在30℃左右,即使充電有明顯壓降,顯示充電完成時(shí),電池溫度也低于50℃。當(dāng)采用1C充電200%時(shí),電池溫度緩慢上升,溫度低于80℃。從圖3可以看出,電池具有良好的充電效率以及電池過充電時(shí)保持良好的氣體吸附能力,降低了電池過充電的過熱現(xiàn)象。3.3電池過充放電性能電池高溫性能在環(huán)境溫度40℃下測(cè)試。根據(jù)IEC-61436(1998)標(biāo)準(zhǔn),SC2500PH電池和D8000PH電池放置16～24h,再采用0.5C充電,單體電池充電截止溫度為70℃,電池溫度上升到70℃后轉(zhuǎn)0.2C充電,所有充電時(shí)間為4h。電池取出,在常溫25℃下放置1h,1C放電到1.0V測(cè)試電池容量。根據(jù)IEC-61436(1998)標(biāo)準(zhǔn),電池在環(huán)境溫度25℃下,SC2500PH采用1C充電72min,D8000PH電池采用0.5C充電3h,然后電池在-20℃擱置16h后,1C放電到0.9V測(cè)試電池容量。結(jié)果見表1。從表1中可以看出,SC2500PH電池具有較好的高溫充電效率,而D8000PH電池具有較好的低溫放電性能。兩種電池在40℃時(shí)充電效率均高于80%,高于IEC標(biāo)準(zhǔn)的70%;在-20℃下放電效率也高于80%,高于IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的60%。3.4電池循環(huán)壽命測(cè)試25℃下,SC2500PH電池采用1C充電,充電截止方法為-ΔV=0.010V,充電后電池?cái)R置30min,12A放電,放電后擱置40min,電池循環(huán)測(cè)試。D8000PH電池采用0.5C充電,充電截止方法為-ΔV=0.010V,充電后電池?cái)R置60min,1C(8A)放電,放電后擱置10min,電池循環(huán)測(cè)試。電池循環(huán)壽命見圖4。從圖中可以看出模仿電動(dòng)工具使用測(cè)試的電池和模仿電動(dòng)自行車使用測(cè)試的D8000PH電池具有良好的高倍率放電循環(huán)壽命。綜上所述,研制電池具有良好的高倍率放電循環(huán)壽命,特別適用于電動(dòng)工具和電動(dòng)自行車使用,是鎘鎳電池和鉛酸電池的良好替代品。4電