第5章 镍氢电池设计与制造工艺

1、第五章第五章镍氢电池设计与制造工艺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彭文杰冶金与环境学院冶金与环境学院中南大学中南大学20132013年年目录目录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发明人Stanford Ovshinsky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 Stanford Ovshinsky

2、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Stanford Ovshinsky镍氢电池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

3、%，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

4、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

5、电池应用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 系列系列光身直径光身直径标准高度标准高度(mm)(mm)尖头高度尖头高度(mm)(mm)容量范围容量范围(mAh)(mAh)AAAAAAAA8.2 8.2 40.0 40.0 300300以下以下AAAAAA10.0 10.0 43

6、.0 43.0 44.5-0.544.5-0.5700700以下以下10.1 10.1 43.0 43.0 10001000以下以下AAAA13.9 13.9 49.0 49.0 50.5-0.550.5-0.515001500以下以下14.1 14.1 50.0 50.0 25002500以下以下A A16.5 16.5 50.0 50.0 25002500以下以下SCSC22.0 22.0 43.0 43.0 35003500以下以下C C25.2 25.2 49.0 49.0 50.0-0.550.0-0.545004500以下以下D D32.2 32.2 60.0 60.0 61.5-

7、0.561.5-0.590009000以下以下F F32.2 32.2 90.0 90.0 1300013000以下以下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。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电解质主要为KOH作电解液（电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH）充电时充电时正极反应：Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H2O + e-负极反应：M + H2O + e- MH + OH-总反

8、应：M + Ni(OH)2 MH + NiOOH放电时放电时正极：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)()6()(NiOOHMKOHMHx氢氧化镍电极（正极）：吸氢电极（负极）： 电池池总反应： OHOHNieOHNiOOH22)(OHMeOHMH22)(OHNiMNiOOHMH5.1 镍氢电

9、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）OHHeOH22222OHeOHH22222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）n氢氧化镍电极（正极）n吸氢电极（负极）2224OOHeOHOHeOOH4422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

10、 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，储氢合金由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，电解液，钢壳负极，隔膜纸，电解液，钢壳，顶盖，密封圈等组成。在圆，顶盖，密封圈等组成。在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸柱形电池中，正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，然后密封在分开卷绕在一起，然后密封在钢壳中的。在方形电池中，正钢壳中的。在方形电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。密封在钢壳中。5.1 镍氢电池的工

11、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n正极正极: : 活性物质（活性物质（NiNi（OHOH）2 2) ) 、导电剂、导电剂、溶剂、粘结剂、基体、溶剂、粘结剂、基体 。 n负极：负极： 活性物质（储氢合金粉活性物质（储氢合金粉) )、 粘合粘合剂、溶剂、导电剂、基体剂、溶剂、导电剂、基体 n隔膜：隔膜：PP+PEPP+PEn电解液：电解液：KOH+LiOHKOH+LiOHn外壳：外壳：钢壳、盖帽、极耳钢壳、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；

12、 2. 电池电压为12v13v，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 = 60-120 Wh/kg（瓦特小时/千克）能量体积 = 140-300 Wh/L（瓦特小时/升）即 504-1188kJ/kg（千焦耳/千克）功率重量 = 250-1000 W/kg自放电率 = 一般为每月 2-30%，见温度而定，低

13、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

14、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48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

15、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

16、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合金类型典型氢化物吸氢质量/%电化学容量mAh/gAB5LaNi5H61.3348330AB2Z

17、rMn2H31.8482420ABTiFeH22.0536350A2BMg2NiH43.6965500固溶体V0.8Ti0.2H0.83.81018500典型Ni/MH负极材料及特征负极负极基体：铜网、钢网（约0.220.32mm厚)钢带（约0.040.08mm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l材质：维尼纶或者 PP（聚丙烯）或者尼龙l厚度：一般为0.100.18mm 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n性质： 无色透明液体，具有较强腐蚀性。n应用： 主要用于可充电镍氢电池的电解液。n规格： 溶质组成 KO

18、H:LiOH:NaOH =40:1:3 （重量比） 溶剂组成 ：水 OH-浓度 7mol/ln质量指标： 密度（25）g/cm3 1. 30.03 电导率（25） 10.40.5 mscm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n搅拌机n拉浆机（上粉机）n裁切机n辊压机n卷绕机n点焊机n注液机n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球形氢氧化亚镍NiO(H)2 绿色球形粉末粒径715m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氧化亚钴氧化亚钴

19、CoO 灰褐色粉末易氧化，真空包装粒径 0.45m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-负极贮氢合金贮氢合金MH 金属灰色粉末粒径3040m导体，电子导电；主要成分为稀土，Ni,Co,Mn,Al炭黑炭黑黑色粉末粒径310m导体，电子导电，形成葡萄链状结构导电；铜网铜网棕红色 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-KO

20、H-氢氧化钾氢氧化钾含量9095% 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78ml/L,比重1.30g/mL隔膜隔膜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、密封圈盖帽盖帽- -正面正面1. CPCC钢材，表面镀镍，耐强碱液腐

21、蚀；2. 分上下两层，点焊连接。3. 上盖有35个排气口；4. 圆型，下盖有一个防爆孔；盖帽盖帽 反面反面 5. 中间为防爆球，三元乙丙橡胶；密封圈密封圈 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正极胶带1. 材质：PP；2. 宽度410mm;3.厚度：0.06mm3. 防卷绕短路以及极耳碰到钢壳；4. 耐强碱腐蚀；正极极耳正极极耳1. 材质：纯镍带，镀镍钢带；2. 宽度2.56mm;3.厚度：0.10.12mm3. 作用为正极集流4. 抗氧化以及耐强碱腐蚀；化学

22、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

23、剪测短路放面片、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

24、种类：AA型MH-Ni电池 额定容量：1100mAh 外形尺寸：直径(d)为（13.90.2）mm 高度(H)为（500.2）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，1100mAh；Kc为设计安全系数，一般取1.11.2，取1.1。则: C11001.11210（mAh）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

25、515mm高；隔膜应比极板高出24mm，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MHNi电池，工作电流通常为600mA，工作电流密度i一般为515mA/cm2，取i=9mA/cm2，则: S600/9=66.7(cm2) SKsS1.366.786.7(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，

26、极片面积等于长乘高的二倍，因此，极片长度为：)(106412107 .862)(81412107 .66222mmHSLmmHSL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（0.580.02）mm范围内，负极片在（0.370.02）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/(Ah); 为封口电池中活性物质利用率，此处取80%，则： m+

27、=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0.25Ah/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/L KOH

28、,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24mm，本例可取44mm，厚度通常在0.150.2mm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。V181*0.58h+10

29、6*0.37h+187*0.18h119.86h V2r2h=3.14*(13.3/2)2h138.6h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1100mAhAA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8090%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型电池为参照基准电池。化