高倍率sc-500mwhmhni電池的研制

高倍率sc-500mwhmhni電池的研制

目前，無繩電動工具、電動玩具、電動汽車、電動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,由于環(huán)保問題,鎘鎳電池和鉛酸電池將逐漸退出市場,圓柱型高倍率SC型和D型MH/Ni電池將占據(jù)主要市場。高倍率MH/Ni電池主要存在:充電時電池過熱;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,循環(huán)壽命縮短等問題。針對這些,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電動自行車用電池和SC2500PH電動工具用電池,很好地解決了上述3個問題。1分析和解決問題的方法1.1mh/ni電池過充電時熱效應(yīng)MH/Ni電池在充電過程中,由于氫進入儲氫合金晶格中,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)合時也會放熱。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)極儲氫時,氫進入儲氫合金晶格放熱,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,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,特別是正極產(chǎn)生氧氣的時候,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正極充電效率低的問題,選擇高溫吸氫平臺壓力(PCT)適當(dāng)?shù)膬浜辖?也是提高高溫充電效率的一個因素。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的析氧能力,選擇含鈷量高的儲氫合金,降低負(fù)極析氫平臺壓力,是MH/Ni電池高溫應(yīng)用的主要解決方法。電池在低溫時使用的主要問題來源于負(fù)極。采用富鑭型的儲氫合金,同時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,循環(huán)壽命主要受3個方面的影響:①電池正極在高倍率放電時容易膨脹,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高倍率放電時電池發(fā)熱也會影響電池壽命。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。通過上述改進方法,我們制備的電池常溫下充滿電時,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儲氫合金(含鈷量約10.5%)和LXR-3C儲氫合金(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個極耳。負(fù)極采用1個極耳。采用改進性能的聚丙烯隔膜,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%。電池進行預(yù)充電后,在80℃高溫下進行熱處理。然后電池取出,進行分容和性能測試。3電池性能測試3.1放電電池測試常溫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,測試電池容量。測試結(jié)果見圖2a～2b。從測試結(jié)果看,上述SC2500PH電池在10C放電時容量達(dá)標(biāo)稱容量的106%,D8000PH電池在3C放電時容量在標(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放電時的中點電壓分別是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時間的曲線。電池在過充電時檢查,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,即電池充入電量100%時,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,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,溫度也在30℃左右,即使充電有明顯壓降,顯示充電完成時,電池溫度也低于50℃。當(dāng)采用1C充電200%時,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,所有充電時間為4h。電池取出,在常溫25℃下放置1h,1C放電到1.0V測試電池容量。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,充電后電池擱置30min,12A放電,放電后擱置40min,電池循環(huán)測試。D8000PH電池采用0.5C充電,充電截止方法為-ΔV=0.010V,充電后電池擱置60min,1C(8A)放電,放電后擱置10min,電池循環(huán)測試。電池循環(huán)壽命見圖4。從圖中可以看出模仿電動工具使用測試的電池和模仿電動自行車使用測試的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,特別適用于電動工具和電動自行車使用,是鎘鎳電池和鉛酸電池的良好替代品。4電