镍氢电池设计与制造工艺.ppt

第五章镍氢电池设计与制造工艺 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 彭文杰冶金与环境学院中南大学2013年 目录 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点5 2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺5 3镍氢电池设计与制造工艺 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 发明人 StanfordOvshinsky可能并不是家喻户晓的名字 但确是改变历史的人 他发明的镍金属氢化物电池已经改变了我们的生活 在他50年的工作生涯中 共为美国提供了400多项技术专利 涵盖镍StanfordOvshinsky氢电池 氢燃料电池 和薄膜太阳能电池等各方面 1960年 斯坦福和他的妻子艾丽斯成立了能量转化设备公司 ECD 专门致力于开发能源相关的东西 而所有的产品都被关于Ovonics的标签 当然 在斯坦福所有的发明中 最优秀的莫过于镍氢反应电池 这是一款可用于为混合型汽车充电的便携电池 同时它也非常地环保 通用EV1汽车就采用了这种电池 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 StanfordOvshinsky 镍氢电池 氢镍电池使用氢氧化镍为正极活性物质 贮氢合金作负极活性物质 氢氧化钾水溶液作电解液 为绿色环保型电池 镍氢电池是有氢离子和金属镍合成 电量储备比镍镉电池多30 比镍镉电池更轻 使用寿命也更长 并且对环境无污染 镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多 性能比锂电池要差 氢镍电池采取恒电流充电方式充电 根据电池对电流的接受能力可采用不同的电流对电池充电 充电过程中无需对电池单体的电压进行限制 同时 可以实现快速充电 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池 镍氢电池的设计源於镍镉电池 但在改善镍镉电池的记忆效应上 有极大的进展 其主要的改变 在以储氢合金取代负极原来使用之镉 因此镍氢电池说是材料革新的典型代表 1982年美国OVONIC公司请求储氢合金用於电极制造之专利 使得此一材料受到重视 继之为1985年荷兰飞利浦公司突破了储氢合金在充放电过程中容量衰减的问题 终使镍氢电池脱颖而出 目前在日本有8家以上镍氢电池制造厂 德国 美国 香港 台湾亦有镍氢电池生产 市场反应良好 而且镍氢电池所造成之污染 会比含有镉之镍镉电池小很多 因此 目前镍镉电池已逐渐被镍氢电池取代 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池应用 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 民用通讯电源 各种便携式设备电源 电动工具 动力电源等 小型绿色电源 替代镉镍电池 电动工具 矿灯 镍氢电池应用 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 应急灯 网标灯 民用电信产品 镍氢电池应用 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 动力电池 镍氢电池型号尺寸 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 通常有A AA AAA AAAA AAAAA SC D F等 民用电池5号为AA电池 7号为AAA电池 1号为D电池 2号为C电池 AA大 AAA小 D型电池 SC电池 镍氢各型号电池尺寸 圆柱型 与容量 电池高度可以根据客户的要求进行设计 直径一般不能更改 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 工作原理 电解质主要为KOH作电解液 电解质7moL LKOH 15g LLiOH 充电时正极反应 Ni OH 2 OH NiOOH H2O e 负极反应 M H2O e MH OH 总反应 M Ni OH 2 MH NiOOH放电时正极 NiOOH H2O e Ni OH 2 OH 负极 MH OH M H2O e 总反应 MH NiOOH M Ni OH 2以上式中M为储氢合金 MH为吸附了氢原子的储氢合金 最常用储氢合金为LaNi5 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 工作原理 氢氧化镍电极 正极 吸氢电极 负极 电池池总反应 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 工作原理 过放电 氢氧化镍电极 正极 吸氢电极 负极 过放电时 电池总反应的净结果为零 由于在正极上产生的氢气会在负极上新化合 同样也保持了电池体系的稳定 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 工作原理 过充电 氢氧化镍电极 正极 吸氢电极 负极 氢氧化镍电极全充电态时产生的氧气 经过扩散在负极上重新化合为水 既保持了电池内压的恒定 同时又使电液浓度不致发生巨大变化 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 工作原理 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 结构 由氢氧化镍正极 储氢合金负极 隔膜纸 电解液 钢壳 顶盖 密封圈等组成 在圆柱形电池中 正负极用隔膜纸分开卷绕在一起 然后密封在钢壳中的 在方形电池中 正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 结构 正极 活性物质 Ni OH 2 导电剂 溶剂 粘结剂 基体 负极 活性物质 储氢合金粉 粘合剂 溶剂 导电剂 基体隔膜 PP PE电解液 KOH LiOH外壳 钢壳 盖帽 极耳 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 优点 1 能量密度高 是镍镉电他的1 5倍 2 电池电压为1 2v 1 3v 与镍镉电池相当 3 无记忆效应 循环寿命长 4 可大电流放电 承受过充电 过放电能力强 5 无污染 绿色环保电池 缺点 1 价格高于镍镉电池 负极材料为稀土合金材料 2 自放电速度大 5 1镍氢电池的工作原理 结构与特点 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 电压 1 2V能量 重量 60 120Wh kg 瓦特小时 千克 能量 体积 140 300Wh L 瓦特小时 升 即504 1188kJ kg 千焦耳 千克 功率 重量 250 1000W kg自放电率 一般为每月2 30 见温度而定 低自放电型号为每年10 30 充放电效率 66 充放电循环次数 500 1800次 特性 5 2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池中的 金属 部分实际上是金属氢化物 用在镍氢电池的制造上 它们主要分为两大类 最常见的是AB5一类 A是稀土元素的混合物 或者 再加上钛 Ti B则是镍 Ni 钴 Co 锰 Mn 或者 还有铝 Al 而一些高容量电池的 含多种成分 的电极则主要由AB2构成 这里的A则是钛 Ti 或者钒 V B则是锆 Zr 或镍 Ni 再加上一些铬 Cr 钴 Co 铁 Fe 和 或 锰 Mn 所有这些化合物扮演的都是相同的角色 可逆地形成金属氢化物 电池充电时 氢氧化钾 KOH 电解液中的氢离子 H 会被释放出来 由这些化合物将它吸收 避免形成氢气 H2 以保持电池内部的压力和体积 当电池放电时 这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方 正极 正极基体 发泡镍 约1 6 1 7mm厚 或冲孔镀镍钢带 0 06 0 08mm厚 正极物质 球镍 亚钴 PTFE 正极集流体 镍带 约0 1mm厚 焊点 约4 8个 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 5 2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 从狭义上讲 储氢材料是一种能与氢反应生成金属氢化物的物质 但是它与一般金属氢化物有明显的差异 即储氢材料必须具备高度的反应可逆性 而且 此可逆循环的次数必须足够多 循环次数超过5000次 实际上 它必须是能够在适当的温度 压力下大量可逆的吸收和释放氢的材料 目前 用于镍氢电池负极储氢材料的主要是金属 或合金 储氢材料 氢几乎可以同周期表中的各种元素反应 生成各种氢化物或氢化合物 但并不是所有金属氢化物都能做储氢材料 只有那些能在温和条件下大量可逆的吸收和释放氢的金属或合金氢化物才能做储氢材料用 储氢合金材料在镍氢电池中有着重要地位 因此研究储氢材料对提高镍氢电池性能有着举足轻重的作用 5 2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 对于理想的金属储氢材料应具备以下条件 1 合金贮氢容量高 不小于1wt 2 吸放氢电催化活性好 3 在氢的阳极氧化电位范围内应具有较强的抗氧化能力 4 在强碱性电解质溶液中 化学性质相对稳定 5 反复充放电过程中 合金不易粉化 6 充放电效率高 7 循环使用寿命长 8 具有良好的电和热的传导性 9 原材料成本低廉 5 2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 典型Ni MH负极材料及特征 负极 负极基体 铜网 钢网 约0 22 0 32mm厚 钢带 约0 04 0 08mm厚 负极物质 MH HPMC SBR 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 隔膜 材质 维尼纶或者PP 聚丙烯 或者尼龙厚度 一般为0 10 0 18mm 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 电解液 性质 无色透明液体 具有较强腐蚀性 应用 主要用于可充电镍氢电池的电解液 规格 溶质组成KOH LiOH NaOH 40 1 3 重量比 溶剂组成 水OH 浓度7mol l质量指标 密度 25 g cm31 3 0 03电导率 25 10 4 0 5ms cm 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池生产所用设备 搅拌机拉浆机 上粉机 裁切机辊压机卷绕机点焊机注液机化成检测柜 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池主要材料 正极 球形氢氧化亚镍NiO H 2绿色球形粉末粒径7 15 m半导体 电子不导电 需要氧化亚钴导电 覆钴球镍黑色粉末 包覆氧化亚钴导电 充电后形成黑色NiOOH 氧化亚钴CoO灰褐色粉末易氧化 真空包装粒径 0 45 m充电时能形成导电网络 正常充电形成CoOOH导电网络 过放后容易被破坏 发泡镍99 Ni 金属灰色多孔状 孔率 95 用于导电和支撑球镍的骨架 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池主要材料 负极 贮氢合金MH金属灰色粉末粒径30 40 m导体 电子导电 主要成分为稀土 Ni Co Mn Al 炭黑黑色粉末粒径3 10 m导体 电子导电 形成葡萄链状结构导电 铜网棕红色99 99 铜网状结构导电 合金粉的支持骨架 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池主要材料 电液 隔膜 钢壳 KOH 氢氧化钾含量90 95 白色片状固体 属强碱 有强腐蚀性 易溶于水 放出大量的热 碱液为30 KOH 含有NaOH LiOH H2O OH 浓度7 8ml L 比重1 30g mL 隔膜1 PP材质 多空结构 可以离子通过 但是电子不能通过 耐强碱液腐蚀 2 高性能的有磺化处理 接枝处理 提高自放电 钢壳1 CPCEN钢材 内外壳镀镍 耐强碱液腐蚀 2 柔韧性好 耐深冲 3 耐腐蚀 不生锈 4 圆柱形 一端开口 厚度0 2mm 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池材料 盖帽 密封圈 盖帽 正面1 CPCC钢材 表面镀镍 耐强碱液腐蚀 2 分上下两层 点焊连接 3 上盖有3 5个排气口 4 圆型 下盖有一个防爆孔 盖帽 反面5 中间为防爆球 三元乙丙橡胶 密封圈1 中空圆形 内径和盖帽配套 外径和钢壳内径配套 2 底部有突出的台阶 3 材料为尼龙 66 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池材料 正极胶带1 材质 PP 2 宽度4 10mm 3 厚度 0 06mm3 防卷绕短路以及极耳碰到钢壳 4 耐强碱腐蚀 正极极耳1 材质 纯镍带 镀镍钢带 2 宽度2 5 6mm 3 厚度 0 1 0 12mm3 作用为正极集流4 抗氧化以及耐强碱腐蚀 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 镍氢电池生产工艺流程 配料 卷绕 封口 包装 上粉或拉浆 切小片 化成 注液 裁大片 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 正极上粉工艺流程 送带 上粉 正极粉料 碾压 裁小片 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 负极拉浆工艺流程 送带 上浆 负极浆料 负极裁片 烘烤 碾压 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 制片工艺流程 正极裁小片 正极浸胶 正极焊极耳 负极裁小片 负极称重 正极贴胶纸 卷绕 卷绕 正极软化 正极称重 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 装配工艺流程 卷绕 滚槽 压芯 注碱 正 负极片 配片 隔膜 隔膜裁剪 放面片 涂胶 圈盖组合 焊盖帽 压盖帽 封口 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 化成工艺流程 高温烘烤 化成 高温烘烤 半成品入库 补充电 分容 测电压 抽测内阻 预充电 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 单体电池包装工艺流程 挑外观 测内阻 测电压 客户 装盒 包装 单体包装 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 组装电池包装工艺流程 单体电池包装 点焊连接片 打胶水 客户 组合套管收缩 点焊引出片 喷码印字 装盒装箱 单体电池全检电压内阻 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 设计指标电池种类 AA型MH Ni电池额定容量 1100mA h外形尺寸 直径 d 为 13 9 0 2 mm高度 H 为 50 0 2 mm额定电压 1 2V 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 1电池容量设计C CrKc式中 C为设计容量 Cr为额定容量 1100mA h Kc为设计安全系数 一般取1 1 1 2 取1 1 则 C 1100 1 1 1210 mA h 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 2极片高度设计电池极片高度主要根据电池高度 气室高度来确定 气室高度一般取5 15mm高 隔膜应比极板高出2 4mm 综合考虑这两点 因电池高为50mm 极板高度为41mm 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 3极片面积设计对于MH Ni电池 工作电流通常为600mA 工作电流密度i一般为5 15mA cm2 取i 9mA cm2 则 S 600 9 66 7 cm2 S KsS 1 3 66 7 86 7 cm2 式中 Ks为设计过剩系数 一般在1 3 1 7之间 此处取1 3 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 4极片长度设计正负极片均为矩形 极片面积等于长乘高的二倍 因此 极片长度为 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 5极片厚度设计MH Ni电池中 通常控制正极片厚度为 0 58 0 02 mm范围内 负极片在 0 37 0 02 mm范围内 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 6活性物质用量的计算活性物质用量m Cq 式中 q为活性物质电化当量 g A h 为封口电池中活性物质利用率 此处取80 则 m 1 21 3 459 0 8 5 23 g M 1 21 0 25 0 6 8 06 g 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 6活性物质用量的计算注意 在计算m 时 由于负极是贮氢合金粉 其电化当量不能用H2的电化当量来计算 应根据活性物质粉料的电化学容量 利用率计算 即m C 式中 为贮氢材料的比容量0 25A h g 为封口电池中负极活性物质利用率 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 7电解液浓度和用量电解液用1 25 1 30g LKOH 加入15g LLiOH 用量一般为电池活性物质量的18 malk 5 23 8 06 18 2 39 g 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 8隔膜尺寸隔膜的长度一般为正负极长度之和 此处为187mm 宽度比极片宽2 4mm 本例可取44mm 厚度通常在0 15 0 2mm之间 这里取0 18mm 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例一 2 设计过程 2 9松紧度检验松紧度 V1 V2 100 V1 V V V隔式中 V2为电池壳体内空间体积 V1 81 0 58h 106 0 37h 187 0 18h 119 86hV2 r2h 3 14 13 3 2 2h 138 6h计算时 电池壳体内径取为13 3mm 以上数据是根据前面指定的1100mA hAA型密封MH Ni电池设计的 通过计算发现其装配比为86 3 在通常所说的80 90 之间 符合设计标准 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例二 设计指标根据用户要求开发综合性能优越 电池直径为 13 9 0 2 mm 高度为63mm的电池 电池的额定电压1 2V 本例采用另一种设计思路 化学电源设计与制造工艺学 第五章镍氢电池设计与制造工艺 圆柱形单体镍氢电池设计 例二 2 设计过程 2 1选定参照基准假定例一中所选定的参数为一已通过检验确认设计合理 综合性能优良的已成型的设计参数 则选定例一中的AA型电池为参照基