鎳氫電池設計與制造工藝-LN課件

1、第5章鎳氫電池設計與制造工藝_360鎳氫電池氫鎳電池使用氫氧化鎳為正極活性物質，貯氫合金作負極活性物質，氫氧化鉀水溶液作電解液，為綠色環(huán)保型電池。鎳氫電池是有氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。氫鎳電池采取恒電流充電方式充電，根據(jù)電池對電流的接受能力可采用不同的電流對電池充電，充電過程中無需對電池單體的電壓進行限制，同時，可以實現(xiàn)快速充電。化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝鎳氫電池鎳氫電池的設計源於鎳鎘電池，但在改善鎳鎘電池的記憶效應上，有極大的進展。其主

2、要的改變，在以儲氫合金取代負極原來使用之鎘，因此鎳氫電池說是材料革新的典型代表。1982 年美國 OVONIC 公司請求儲氫合金用於電極制造之專利,使得此一材料受到重視,繼之為 1985 年荷蘭飛利浦公司突破了儲氫合金在充放電過程中容量衰減的問題，終使鎳氫電池脫穎而出。目前在日本有 8 家以上鎳氫電池制造廠，德國，美國，香港，臺灣亦有鎳氫電池生產,市場反應良好。而且鎳氫電池所造成之污染，會比含有鎘之鎳鎘電池小很多，因此，目前鎳鎘電池已逐漸被鎳氫電池取代?；瘜W電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝鎳氫電池應用化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝 民用通訊電源，各種便

3、攜式設備電源、電動工具、動力電源等。小型綠色電源，替代鎘鎳電池。電動工具礦燈鎳氫電池應用化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝應急燈網標燈民用電信產品鎳氫電池應用化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝動力電池鎳氫電池型號尺寸化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝通常有A、AA、AAA、AAAA、AAAAA、SC、D、F等，民用電池5號為AA電池，7號為AAA電池，1號為D電池，2號為C電池。AA大，AAA小D型電池SC電池鎳氫各型號電池尺寸(圓柱型)與容量 系列光身直徑標準高度(mm)尖頭高度(mm)容量范圍(mAh)AAAA8.2 40.0 3

4、00以下AAA10.0 43.0 44.5-0.5700以下10.1 43.0 1000以下AA13.9 49.0 50.5-0.51500以下14.1 50.0 2500以下A16.5 50.0 2500以下SC22.0 43.0 3500以下C25.2 49.0 50.0-0.54500以下D32.2 60.0 61.5-0.59000以下F32.2 90.0 13000以下電池高度可以根據(jù)客戶的要求進行設計，直徑一般不能更改。化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝5.1 鎳氫電池的工作原理、結構與特點化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝工作原理電解質主要

5、為KOH作電解液（電解質7moL/LKOH+15g/LLiOH）充電時正極反應：Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H2O + e-負極反應：M + H2O + e- MH + OH-總反應：M + Ni(OH)2 MH + NiOOH放電時正極：NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH-負極：MH + OH- M + H2O + e-總反應：MH + NiOOH M + Ni(OH)2以上式中M為儲氫合金，MH為吸附了氫原子的儲氫合金。最常用儲氫合金為LaNi5。5.1 鎳氫電池的工作原理、結構與特點化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝工作原理氫氧

6、化鎳電極（正極）：吸氫電極（負極）： 電池池總反應： 5.1 鎳氫電池的工作原理、結構與特點化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝工作原理（過放電）氫氧化鎳電極（正極）吸氫電極（負極）過放電時，電池總反應的凈結果為零，由于在正極上產生的氫氣會在負極上新化合，同樣也保持了電池體系的穩(wěn)定。 5.1 鎳氫電池的工作原理、結構與特點化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝工作原理（過充電）氫氧化鎳電極（正極）吸氫電極（負極）氫氧化鎳電極全充電態(tài)時產生的氧氣，經過擴散在負極上重新化合為水。既保持了電池內壓的恒定，同時又使電液濃度不致發(fā)生巨大變化。 5.1 鎳氫電池的工作原理

7、、結構與特點化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝工作原理5.1 鎳氫電池的工作原理、結構與特點化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝結構 由氫氧化鎳正極，儲氫合金負極，隔膜紙，電解液，鋼殼，頂蓋，密封圈等組成。在圓柱形電池中，正負極用隔膜紙分開卷繞在一起，然后密封在鋼殼中的。在方形電池中，正負極由隔膜紙分開后疊成層狀密封在鋼殼中。5.1 鎳氫電池的工作原理、結構與特點化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝結構正極: 活性物質（Ni（OH）2) 、導電劑、溶劑、粘結劑、基體 。 負極： 活性物質（儲氫合金粉)、 粘合劑、溶劑、導電劑、基體 隔膜：

8、PP+PE電解液：KOH+LiOH外殼：鋼殼、蓋帽、極耳5.1 鎳氫電池的工作原理、結構與特點化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝優(yōu)點: 1. 能量密度高，是鎳鎘電他的1.5倍； 2. 電池電壓為12v13v，與鎳鎘電池相當； 3. 無記憶效應，循環(huán)壽命長 ； 4. 可大電流放電，承受過充電、過放電能力強； 5. 無污染，綠色環(huán)保電池 。缺點: 1. 價格高于鎳鎘電池，負極材料為稀土合金材料； 2. 自放電速度大。5.1 鎳氫電池的工作原理、結構與特點化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝電壓 = 1.2V能量重量 = 60-120 Wh/kg（瓦特小時/千克

9、）能量體積 = 140-300 Wh/L（瓦特小時/升）即 504-1188kJ/kg（千焦耳/千克）功率重量 = 250-1000 W/kg自放電率 = 一般為每月 2-30%，見溫度而定，低自放電型號為每年10-30%充放電效率 = 66%充放電循環(huán)次數(shù) = 500 -1800次特性5.2 鎳氫電池關鍵電極材料設計與制造工藝化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝鎳氫電池中的“金屬”部分實際上是金屬氫化物。用在鎳氫電池的制造上，它們主要分為兩大類。最常見的是AB5一類，A是稀土元素的混合物（或者）再加上鈦（Ti）；B則是鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn），（或者）還有鋁（Al

10、）。而一些高容量電池的“含多種成分”的電極則主要由AB2構成，這里的A則是鈦（Ti）或者釩（V），B則是鋯（Zr）或鎳（Ni），再加上一些鉻（Cr）、鈷（Co）、鐵（Fe）和（或）錳（Mn）。所有這些化合物扮演的都是相同的角色：可逆地形成金屬氫化物。電池充電時，氫氧化鉀（KOH）電解液中的氫離子（H+）會被釋放出來，由這些化合物將它吸收，避免形成氫氣（H2），以保持電池內部的壓力和體積。當電池放電時，這些氫離子便會經由相反的過程而回到原來的地方。正極正極基體：發(fā)泡鎳（約1.6-1.7mm厚)，或沖孔鍍鎳 鋼帶 （0.06-0.08mm厚）正極物質：球鎳+亞鈷+PTFE正極集流體：鎳帶（約0.1

11、mm厚）焊點：（約48個)化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝5.2 鎳氫電池關鍵電極材料設計與制造工藝化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝從狹義上講，儲氫材料是一種能與氫反應生成金屬氫化物的物質；但是它與一般金屬氫化物有明顯的差異。即儲氫材料必須具備高度的反應可逆性，而且，此可逆循環(huán)的次數(shù)必須足夠多，循環(huán)次數(shù)超過5000次。實際上，它必須是能夠在適當?shù)臏囟取毫ο麓罅靠赡娴奈蘸歪尫艢涞牟牧?。目前，用于鎳氫電池負極儲氫材料的主要是金屬(或合金)儲氫材料，氫幾乎可以同周期表中的各種元素反應，生成各種氫化物或氫化合物。但并不是所有金屬氫化物都能做儲氫材料，只有

12、那些能在溫和條件下大量可逆的吸收和釋放氫的金屬或合金氫化物才能做儲氫材料用。儲氫合金材料在鎳氫電池中有著重要地位，因此研究儲氫材料對提高鎳氫電池性能有著舉足輕重的作用。5.2 鎳氫電池關鍵電極材料設計與制造工藝化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝對于理想的金屬儲氫材料應具備以下條件：（1)合金貯氫容量高，不小于1wt%；（2）吸放氫電催化活性好,（3）在氫的陽極氧化電位范圍內應具有較強的抗氧化能力;（4）在強堿性電解質溶液中，化學性質相對穩(wěn)定;（5）反復充放電過程中，合金不易粉化;（6）充放電效率高;（7）循環(huán)使用壽命長；（8）具有良好的電和熱的傳導性;（9) 原材料成本低廉

13、。5.2 鎳氫電池關鍵電極材料設計與制造工藝化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝合金類型典型氫化物吸氫質量/%電化學容量mAh/gAB5LaNi5H61.3348330AB2ZrMn2H31.8482420ABTiFeH22.0536350A2BMg2NiH43.6965500固溶體V0.8Ti0.2H0.83.81018500典型Ni/MH負極材料及特征負極負極基體：銅網、鋼網（約0.220.32mm厚)鋼帶（約0.040.08mm厚)負極物質：MH+HPMC+SBR化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝隔膜材質：維尼綸或者 PP（聚丙烯）或者尼龍厚度：一般

14、為0.100.18mm 化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝電解液性質： 無色透明液體，具有較強腐蝕性。應用： 主要用于可充電鎳氫電池的電解液。規(guī)格： 溶質組成 KOH:LiOH:NaOH =40:1:3 （重量比） 溶劑組成 ：水 OH-濃度 7mol/l質量指標： 密度（25）g/cm3 1. 30.03 電導率（25） 10.40.5 mscm化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝鎳氫電池生產所用設備攪拌機拉漿機（上粉機）裁切機輥壓機卷繞機點焊機注液機化成檢測柜化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝鎳氫電池主要材料-正極球形氫氧化亞鎳Ni

15、O(H)2 綠色球形粉末粒徑715m半導體，電子不導電，需要氧化亞鈷導電;覆鈷球鎳 黑色粉末，包覆氧化亞鈷導電，充電后形成黑色NiOOH氧化亞鈷CoO 灰褐色粉末易氧化，真空包裝粒徑 0.45m充電時能形成導電網絡，正常充電形成CoOOH導電網絡，過放后容易被破壞發(fā)泡鎳99%Ni,金屬灰色多孔狀，孔率95%，用于導電和支撐球鎳的骨架化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝鎳氫電池主要材料-負極貯氫合金MH 金屬灰色粉末粒徑3040m導體，電子導電；主要成分為稀土，Ni,Co,Mn,Al炭黑黑色粉末粒徑310m導體，電子導電，形成葡萄鏈狀結構導電；銅網棕紅色 99.99%銅網狀結構

16、導電；合金粉的支持骨架化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝鎳氫電池主要材料-電液-隔膜-鋼殼KOH-氫氧化鉀含量9095% 白色片狀固體，屬強堿，有強腐蝕性。易溶于水，放出大量的熱；堿液為30%KOH，含有NaOH，LiOH，H2O，OH-濃度78ml/L,比重1.30g/mL隔膜1.PP材質，多空結構，可以離子通過，但是電子不能通過，耐強堿液腐蝕；2. 高性能的有磺化處理，接枝處理，提高自放電。鋼殼1. CPCEN鋼材，內外殼鍍鎳，耐強堿液腐蝕；2. 柔韌性好，耐深沖。3. 耐腐蝕，不生銹；4. 圓柱形，一端開口，厚度0.2mm；化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計

17、與制造工藝鎳氫電池材料-蓋帽、密封圈蓋帽-正面1. CPCC鋼材，表面鍍鎳，耐強堿液腐蝕；2. 分上下兩層，點焊連接。3. 上蓋有35個排氣口；4. 圓型，下蓋有一個防爆孔；蓋帽 反面 5. 中間為防爆球，三元乙丙橡膠；密封圈 1. 中空圓形，內徑和蓋帽配套，外徑和鋼殼內徑配套；2. 底部有突出的臺階;3. 材料為尼龍-66化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝鎳氫電池材料正極膠帶1. 材質：PP；2. 寬度410mm;3.厚度：0.06mm3. 防卷繞短路以及極耳碰到鋼殼；4. 耐強堿腐蝕；正極極耳1. 材質：純鎳帶，鍍鎳鋼帶；2. 寬度2.56mm;3.厚度：0.10.12

18、mm3. 作用為正極集流4. 抗氧化以及耐強堿腐蝕；化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝鎳氫電池生產工藝流程配料卷繞封口包裝上粉或拉漿切小片化成注液裁大片化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝正極上粉工藝流程送 帶上 粉正極粉料 碾壓裁小片化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝負極拉漿工藝流程送 帶上 漿 負極漿料 負極裁片烘烤碾壓化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝制片工藝流程正極裁小片正極浸膠正極焊極耳負極裁小片負極稱重正極貼膠紙卷繞卷繞正極軟化正極稱重化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝裝配工藝流程卷繞

19、滾槽壓芯注堿正、負極片配片隔膜隔膜裁剪測短路放面片、涂膠圈蓋組合焊蓋帽壓蓋帽封口化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝化成工藝流程高溫烘烤化成高溫烘烤半成品入庫補充電分容測電壓抽測內阻預充電化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝單體電池包裝工藝流程挑外觀測內阻測電壓客戶裝盒、包裝單體包裝化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝組裝電池包裝工藝流程單體電池包裝點焊連接片打膠水客戶組合套管收縮點焊引出片噴碼印字裝盒裝箱單體電池全檢電壓內阻化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單

20、體鎳氫電池設計（例一）設計指標 電池種類：AA型MH-Ni電池 額定容量：1100mAh 外形尺寸：直徑(d)為（13.90.2）mm 高度(H)為（500.2）mm 額定電壓：1.2V化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程2.1電池容量設計 C=CrKc式中：C為設計容量，Cr為額定容量，1100mAh；Kc為設計安全系數(shù)，一般取1.11.2，取1.1。則: C11001.11210（mAh）化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程2.2極片高度設計 電池極片高度主要根據(jù)電池

21、高度、氣室高度來確定。氣室高度一般取515mm高；隔膜應比極板高出24mm，綜合考慮這兩點，因電池高為50mm，極板高度為41mm.化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程2.3極片面積設計 對于MHNi電池，工作電流通常為600mA，工作電流密度i一般為515mA/cm2，取i=9mA/cm2，則: S600/9=66.7(cm2) SKsS1.366.786.7(cm2)式中，Ks為設計過剩系數(shù)，一般在1.3-1.7之間，此處取1.3。化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程

22、2.4極片長度設計正負極片均為矩形，極片面積等于長乘高的二倍，因此，極片長度為：化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程2.5極片厚度設計MH-Ni電池中，通?？刂普龢O片厚度為（0.580.02）mm范圍內，負極片在（0.370.02）mm范圍內?；瘜W電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程2.6活性物質用量的計算 活性物質用量 m=Cq/式中，q為活性物質電化當量，g/(Ah); 為封口電池中活性物質利用率，此處取80%，則： m+=1.21*3.459/0.8=5.23(g) M

23、-=1.21/(0.25*0.6)=8.06(g)化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程2.6活性物質用量的計算注意：在計算m-時，由于負極是貯氫合金粉，其電化當量不能用H2的電化當量來計算，應根據(jù)活性物質粉料的電化學容量、利用率計算，即m-=(C/)*式中，為貯氫材料的比容量0.25Ah/g； 為封口電池中負極活性物質利用率?；瘜W電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程2.7電解液濃度和用量電解液用1.25-1.30g/L KOH,加入15g/LLiOH，用量一般為電池活性物質量

24、的18%。 malk=(5.23+8.06)*18%=2.39(g)化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程2.8隔膜尺寸 隔膜的長度一般為正負極長度之和，此處為187mm，寬度比極片寬24mm，本例可取44mm，厚度通常在0.150.2mm之間，這里取0.18mm?；瘜W電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例一）2. 設計過程2.9松緊度檢驗 松緊度V1/V2*100% V1=V+V-+V隔 式中，V2為電池殼體內空間體積。V181*0.58h+106*0.37h+187*0.18h119.86h

25、V2r2h=3.14*(13.3/2)2h138.6h計算時，電池殼體內徑取為13.3mm。以上數(shù)據(jù)是根據(jù)前面指定的1100mAhAA型密封MH-Ni電池設計的。通過計算發(fā)現(xiàn)其裝配比為86.3%在通常所說的8090%之間，符合設計標準。化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例二）設計指標根據(jù)用戶要求開發(fā)綜合性能優(yōu)越、電池直徑為（13.9 0.2）mm 、高度為63mm的電池，電池的額定電壓1.2V。本例采用另一種設計思路。化學電源設計與制造工藝學-第五章鎳氫電池設計與制造工藝圓柱形單體鎳氫電池設計（例二）2. 設計過程2.1選定參照基準假定例一中所選定的參數(shù)為一已通過檢驗確認設計合理，綜合性能優(yōu)良的已成型的設計參數(shù)，則選定例一