工业电化学课件-化学电源工业过程

工业电化学第五章----化学电源工业过程15.1多孔电极定义：采用粉体材料外加添加剂粉末及粘接剂材料粘合或压制而成，在三维空间里包含有大量的孔洞的电极，称为多孔电极。5.1.1多孔电极的基本表征（1）比表面：多孔电极的比表面用单位体积的电极所含的表面积表征，称为体积比表面，用cm2/cm3表示。（材料的比表面一般用cm2/g表示）

比表面的测量：<1>物理的吸附法；<2>电化学方法：氢在Pt表面的吸附，其氧化电量为208--210µC/cm2。第五章----化学电源工业过程2（2）孔隙率：单位体积电极中所含的孔体积的比例，用百分数表示。第五章----化学电源工业过程5.1多孔电极5.1.1多孔电极的基本表征（3）曲折系数：由不同相（孔相和固相）组成的多孔体中，各相均可看做是一个独立网络，曲折系数是指在多孔体中通过

i网络相传输物质时实际传输途径的平均长度与直通距离之比。用

βi表示。【5-1】D0(i)为整体相

i中同一粒子的扩散系数，Vi为i相的比体积。3（4）有效扩散系数----物质在多孔体中

i网络相扩散时的扩散系数：图5-01多孔电极的孔结构简化模型第五章----化学电源工业过程5.1多孔电极45.1.1多孔电极的基本表征（5）多孔体中

i网络相的表观电阻率：【5-2】ρ0(i)为整体相的电阻率。5.1.2电极多孔化的作用

增加真实反应面积，减小极化。电极反应的电流密度是按实际反应面积考量的，提高真实反应面积能够在同等极化下，提高表观面积上的电流密度，有利于反应的进行。第五章----化学电源工业过程5.1多孔电极55.1.3孔的分类（1）粗孔：

由颗粒与颗粒之间接触形成的空隙，一般称为粗孔。孔径一般为微米级或更大。（2）细孔：

如果制作电极的颗粒本身也是多孔性材料，则在颗粒内部形成的孔称为细孔。细孔的孔径一般在亚微米或更小。第五章----化学电源工业过程5.1多孔电极65.1.4多孔电极的分类（1）两相多孔电极：

当多孔电极的孔内完全为电解液充满时，称为两相多孔电极，也称为全浸没多孔电极。这种电极的反应界面是固/液界面。一次电池和二次电池的电极多数为此类多孔电极。

（2）三相多孔电极：

当多孔电极中的孔部分地为电解液充满，部分地为气体充满，这种电极称为三相多孔电极。三相多孔电极的反应界面是气—液—固的交界面。如燃料电池中用的气体电极均为此类电极。第五章----化学电源工业过程5.1多孔电极75.1.5两相多孔电极的极化（1）特点

分析多孔电极的极化行为时，可以将多孔电极看做是由若干个网络相互交错形成的，其中包含由固相导电粒子组成的电子导电网络，一个或多个占有全部或部分孔隙的电解质网络和其他液相网络，有时还包含气相网络。<1>三种极化：当构成两相多孔电极的固相材料电导率不够大，在通电过程中会形成欧姆极化；在电解质相内也存在传质速度不够而引起的浓差极化；当电化学反应的速度也不够高时，还会存在电化学极化。<2>极化的不均匀性：在孔的内部不同深度位置，由于极化的差异性，电流密度不均匀，从而导致极化的不均匀性。第五章----化学电源工业过程85.1.5两相多孔电极的极化5.1多孔电极（2）多孔电极极化的分析方法图5-02多孔电极的等效电路基本思路：将表观面积为1cm2、厚度为L的多孔电极按平行于电极表面的方向分割成厚度为dx的许多薄层，坐标x的取向为从电极宏观固/液表面为零向孔内取向为正。根据固液相的结构，可以用等效电路来分析界面上的电化学反应和固、液相电阻各相因素对电极化行为的影响。第五章----化学电源工业过程95.1多孔电极5.1.5两相多孔电极的极化（3）情形一：电极粉为非活性物质，仅考虑电化学极化（即，不考虑固相电阻、也不出现浓差极化时的多孔电极极化）。【5-3】η为界面阴极反应的超电势（=φl－φs，φs和φl分别表示薄层中固相和液相的电势），Z为电化学反应电阻。【5-4】η0表示溶液一侧中用参比电极测得的

η

值。求解得：第五章----化学电源工业过程105.1.5两相多孔电极的极化（3）情形一：电极的总反应电流可以表示为【5-5】S*为单位体积多孔层中的反应表面积；i0为交换电流密度，ρl为液相的电阻率。电极不同深度处的体积反应电流密度则可表示为：【5-6】孔内不同部位的体积电流密度与位置x有关。5.1多孔电极第五章----化学电源工业过程115.1多孔电极5.1.5两相多孔电极的极化（3）情形一：多孔电极和平面电极的极化特性比较图5-03多孔电极的极化曲线<1>低极化区，多孔电极的极化比平面电极的小得多；<2>中等极化区，多孔电极的极化也较小，但斜率比平面电极的大一倍，因而较快地接近平面电极极化特性；<3>高极化区，多孔电极的极化曲线走势按图中的c线趋于平面电极的极化曲线。第五章----化学电源工业过程125.1多孔电极5.1.5两相多孔电极的极化（4）情形二：

若固、液网络导电性良好，但反应粒子浓度较低，则引起多孔电极内部极化不均匀的主要原因往往是反应粒子在孔隙中的浓度极化。可假定电极内部不同深度处反应界面上的电化学极化相同，且等于常规方法用置于多孔电极外侧的参比电极测得的数值（η0）。能实现的稳态表观电流密度不会超过电极端面外整体液相中的传质速度决定的极限扩散电流密度。孔内的反应粒子浓度则随孔径大小以及多孔层厚度的不同而不同。

电极粉为非活性物质，存在电化学极化和多孔电极液相中存在浓差极化。第五章----化学电源工业过程135.1多孔电极5.1.5两相多孔电极的极化（4）情形二：<1>当多孔层不太厚，孔径较大，则达到孔的最深层时反应粒子浓度仍然不为零。<2>当多孔层较厚，孔径较小，则可能出现在多孔层深处反应粒子浓度为零，此时即使增加极化也不能提高电流密度。

鉴于数学推导过程较复杂，仅给出相应的极化关系的结果：【5-7】双倍斜率是粉层不均匀极化的普遍表征14第五章----化学电源工业过程5.1多孔电极5.1.5两相多孔电极的极化

有效反应层厚度：存在浓度极化时，可用下式表示由粉层中反应粒子浓度极化所建立的反应层的“特征厚度”：（4）情形二：【5-7】其中：当L«Lc*，粉层中不存在浓度变化；当

L≥

3Lc*，粉层深处的反应粒子会被耗尽，即粉层厚度已过度。15第五章----化学电源工业过程5.1多孔电极（5）情形三：5.1.5两相多孔电极的极化多孔电极的粉粒为电化学活性物质组成----电池的极片。

前述处理两种有关多孔电极极化情形的基本原则大多仍然适用，如基本极化公式等。

不同点：

极化过程中粉末的氧化还原状态不断变化，由此也引起反应物浓度和固、液相电阻的不断变化。由于多孔电极内部的极化本来就不均匀，在电极内不同深度处，由电化学反应造成的影响也是不均匀的，并且这种不均匀还随时间的变化而改变。16第五章----化学电源工业过程5.1多孔电极5.1.5两相多孔电极的极化（5）情形三：<1>有效反应层厚度：

定量分析电活性多孔电极放电反应的全过程相当困难。

一般采取类推方式对反应层厚度进行估计：【5-9】同时存在电化学极化和浓差极化的状况17第五章----化学电源工业过程5.1多孔电极5.1.5两相多孔电极的极化<2>较厚电极中反应区域的分析

大容量型电池的电极一般做得较厚，因此当电流较大时，电极内部厚度方向上的极化分布一般是不均匀，并且反应区域是移动的。具体情形主要取决于

ρs和

ρl的数值相对大小。

ρl»ρs的情形：大多数情况下，反应区的初始位置在电极靠近整体液相一侧的表面层中，且随放电的进行而逐渐向电极内部移动。

当

ρs和

ρl的相差不大，甚至

ρs»ρl时，初始反应区是在电极粉层的深处（靠近集流体一侧）。（5）情形三：185.2铅酸蓄电池工业体系第五章----化学电源工业过程19第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.1铅酸蓄电池产品（1）铅酸蓄电池产品分类：<1>启动型铅酸蓄电池：

车辆启动专用----SLI电池<2>固定型铅酸蓄电池：

电信系统，不间断电源供电系统、应急照明与信号系统、太阳能

及风能储能系统、负荷均衡体系等。<3>工业铅酸蓄电池：

指动力电池与牵引电池。<4>储能铅酸蓄电池：

指与光伏发电和风力发电等配套的铅酸蓄电池。20第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.1铅酸蓄电池产品（2）按结构功能分类<1>开放式电池：采用液态硫酸电解液，电池壳内与大气直接相通，充

电产生的气体直接外排，需定期补加蒸馏水。<2>阀控式电池:电池加装了排气阀，电池内部一般时刻不与大气相通，

仅当内部气体压力超过阀值时才打开排气，压力降低后在关闭阀门。<3>免维护电池:指电池不许要定期进行补水操作。<4>胶体电解质电池:在电解液中加入了SiO2胶体微粒，是电解液呈胶体

状态，便于进行密封。<5>密封式电池:电池正常工作情况下不再开启阀门，少量的析气采用内

消气技术解决。仅当电池内压力超过正常状态，才开启阀门排气。21第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.1铅酸蓄电池产品（3）铅酸蓄电池命名原则

我国铅酸蓄电池产品型号命名按四部分组成：a.蓄电池用途；b.正极板结构；c.蓄电池特性；d.电池额定容量。

命名中常用的代号字母含义：G—固定式；Q—启动式；A—干荷式；M—密封式；D—电力牵引；N—内燃机车用；T—铁路客车用；E—防酸隔爆；X—消氢式；B—航标灯用等。

不同用途电池的制造工艺不同。考虑到时间限制原因，本课程不对个性化的工艺进行说明，只介绍共性化的工艺技术和装备。22第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系（4）铅酸蓄电池相关理论数据<1>电动势：2.04V<2>理论比能量：162.6Wh/kg<3>材料的电化当量材料名称摩尔质量/(g/mol)电化当量/(g/Ah)比容量/(Ah/kg)Pb207.23.865258.7PbO2239.24.462224.1PbSO4303.35.675176.8H2SO498.083.659273.2H2O18.020.672214875.2.1铅酸蓄电池产品23第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.1铅酸蓄电池产品（4）铅酸蓄电池相关理论数据<4>各类电池的实际比能量与活性物质利用率电池类型比能量物质实际比容量（Ah/kg）Wh/kgWh/LPbO2Pb启动型电池30—4075—100110—130130—160阀控密封电池21—3145—8566—9080—140动力型电池25—3260—10060—9080—100固定型电池（富液式）20—2835—6060—10080—10024第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.2电池材料

铅粉是铅酸蓄电池的主要原材料，与其他电池不同的是，铅酸蓄电池的正负极用的初始主材都是进行氧化处理的金属铅粉，颗粒表面含有大量的PbO（有正方晶和斜方晶之分，前者更适合电池使用）。（1）铅粉：25

添加剂包括Pb3O4（红丹，提高电池的初期容量）、中性硫酸铅（PbSO4）、精炼铅粉（即含Bi量0.05%的铅粉），稳定强化添加剂（如短纤维、涤纶、尼龙、丙纶、氯纶等）、导电剂（碳纤维、石墨）、发孔剂（SiO2、MgSO4、K2SO4等）等。在极板的处理过程中还会形成三碱式硫酸铅（3BS，3PbO·PbSO4）、四碱式硫酸铅（4BS，4PbO·PbSO4）。（2）正极辅材：正极膏料的配制采用硫酸和水。第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.2电池材料265.2铅酸蓄电池工业体系第五章----化学电源工业过程5.2.2电池材料

添加剂包括Pb3O4（红丹）、中性硫酸铅（PbSO4）、精炼铅粉（即含Bi量0.05%的铅粉），腐植酸（作为电极膨胀剂，如木素----一类以苯丙烷单体为骨架，具有网状结构的无定形天然高聚物）、BaSO4（作为电池放电时PbSO4结晶的晶核）、阻化剂（用于阻止负极活性物质的氧化，如硬脂酸盐、β-萘酚、α-羟基-β-萘甲酸、间位氨基酸等）、导电剂（如炭黑、乙炔黑等）。在极板的处理过程中还会形成三碱式硫酸铅（3BS，3PbO·PbSO4）、四碱式硫酸铅（4BS，4PbO·PbSO4）。负极膏料的调制采用硫酸和水。（3）负极辅材：275.2铅酸蓄电池工业体系第五章----化学电源工业过程5.2.2电池材料（4）电解液：硫酸水溶液<1>作用及浓度选择：*电解液H2SO4水溶液具有两个功能：一是参与正负极活性物质的电化学反应，二是作为离子导电介质。*理想的硫酸浓度：0.5mol/L至1.5mol/L之间。*添加剂：每升电解液中添加20g硫酸钠，或加入0.8%--2%磷酸，用于改善电池的放电性能和延长电池寿命。<2>

H2SO4水溶液的导电性：

λH+

约为0.8，随浓度增加而减小，随温度的升高而降低。

溶液电阻率：1.23Ω·cm（25℃），随温度的升高而降低。285.2铅酸蓄电池工业体系第五章----化学电源工业过程5.2.2电池材料（4）电解液：硫酸水溶液<3>

阀控式电池的电解液：

阀控式电池采用凝胶和吸附式隔膜固定电解液，抑制氢气的析出，同时保障槽盖密封可靠、排气阀的控压稳定等，使正极在充电过程产生的氧气传质到负极表面，与负极的金属铅反应还原为水，从而实现氧在电池内的氧—水循环。【5-10】295.2铅酸蓄电池工业体系第五章----化学电源工业过程5.2.2电池材料（4）电解液：硫酸水溶液<4>胶体铅酸电池的电解液胶体的概念：分散质粒子大小达到1—100nm时的分散体系为胶体；

分散质离子小于1nm时的分散体系为真溶液；

分散质粒子大于100nm的分散体系为悬浮体。单个分散的胶体粒子相互结合的过程称为“凝胶化”，而胶体在力的作用下变为液体的过程称为“触变”（即网状体分离成单个分散粒子）。将SiO2的微粒溶入硫酸电解液中，可以形成胶体状电解质。将这种电解质用于铅酸蓄电池可提高电池的可密封性，降低电池的析气。305.2铅酸蓄电池工业体系第五章----化学电源工业过程5.2.2电池材料（5）板栅：

板栅是铅酸蓄电池电极板的铅膏承载体和集流体。一般采用铅基合金制作。常用的铅基合金有铅--锑合金、铅--锑--镉合金、铅--锡合金等。

板栅材料的选用需考虑以下方面因素：<1>电池的应用目的<2>耐腐蚀性<3>力学性能（如抗拉强度、延展率、硬度等）<4>铸造性能315.2铅酸蓄电池工业体系第五章----化学电源工业过程5.2.3电池产品结构（1）电池产品结构325.2铅酸蓄电池工业体系第五章----化学电源工业过程5.2.3电池产品结构（2）板栅结构与材料图5-06涂膏用板栅结构图<1>形成式板栅：

最早的普兰特铅酸蓄电池所用，即在铅基板上通过电化成方式直接生成活性物质，因此是一体化的电极板。<2>涂膏用平板式板栅：多孔状，带横向、纵向、斜交等方式的分格筋，以帮助固定铅膏。335.2铅酸蓄电池工业体系第五章----化学电源工业过程5.2.3电池产品结构（2）板栅结构与材料<3>管式板栅：管状结构，通常用于正极板栅。<4>扩展式（拉网）板栅：

将铅或铅合金浇注成薄板（带），在经过碾压成所需厚度的板材（成卷），然后进行冲孔、拉伸成网。要求具有优异的延展性。一般采用铅或铅锡合金、铅钙合金等。<5>纤维毡式板栅：

用纤维状铅丝编织而成。34第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.3电池产品结构（2）板栅结构与材料<6>泡沫式板栅：

用有机泡沫化合物的三维网孔结构的带状材料，在氟硼酸盐浴（电解槽）中通过电沉积方法电镀一层铅形成泡沫铅，在经过压延技术以及某些工艺形成泡沫板栅。特点:具有大的比表面积，约5700m2/m3，是浇注板栅的17倍，有利于提高极板的大电流工作能力。<7>复合板栅：

首先生产单层带状板栅，在经过多步电沉积加工制作成多层复合板栅。主要是改善板栅的力学性能、电性能、耐蚀性、循环稳定性等。目前以纯铜为芯层的复合板栅为最优。35第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.4铅酸电池极板制造工艺流程图5-07极板制造工艺流程。36第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（1）铅粉制备工艺及制铅粉设备图5-08球磨法制铅粉

将铅块置于球磨机内与磨球一起进行滚动球磨，同时通入空气。由于摩擦碰撞等产生升温，铅块表面不断地被氧化形成氧化铅。该过程是放热反应，会进一步提升温度，最后使得铅块表面产生裂缝而不断被剥离，形成表面被PbO包覆的铅的小颗粒，成分主要为α-PbO（红）四方晶型。

<1>铅粉制备工艺

主要采用球磨制粉工艺。球磨形成的氧化铅粉是铅膏的主要成分。合适的制铅粉温度在190--200℃，制得的铅粉的氧化度在70%--75%.37第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（1）铅粉制备工艺及制铅粉设备<2>铅粉的主要技术指标：氧化度：指铅粉中PbO所占的百分数。正极膏用的铅粉的氧化度以70%--75%为好，负极铅膏用的铅粉氧化度以75%--78%为好。铅粉中的铁含量：铁含量过高会导致电池的自放电速度加大。一般要求铅粉中铁含量小于7ppm。铅粉的颗粒度和筛析度：一般以过100目筛子的剩余物少于7%为宜。38第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（1）铅粉制备工艺及制铅粉设备<2>铅粉的主要技术指标：视密度：使铅粉通过振动筛自由下落在容积为100ml的量筒中，刮平、

称重，即可得铅粉的视密度，单位为g/ml。一般控制在1.5—1.8g/ml范围。吸水率：指每千克铅粉的吸水量，用ml/kg表示。

一般要求铅粉的吸水率在95—100ml/kg为宜。吸酸值：吸酸值反映铅粉与硫酸反应的程度。

一般规定100g铅粉吸收d=1.100g/cm3的稀硫酸为0.5—1.5g。39第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（2）和膏工艺及设备图5-09自动和膏机

铅膏配方和和膏工艺条件对电极板的性能起着关键性的作用。设备为专用和膏机，一般为带Z字形双搅拌器的和膏机。<1>铅膏的配方比例：

需根据不同的电池用途进行调整。<2>和膏温度与晶型关系：

和膏过程是一个晶相成分变化过程。高温时(80℃)----四碱式硫酸铅(4PbO·PbSO4)，较低温度时(20--40℃)----三碱式硫酸铅(4PbO·PbSO4·H2O)。

不同晶相组成得到的电极性能不同。40第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（2）和膏工艺及设备<3>铅膏的含酸量：

铅膏的配置采用硫酸溶液和水。铅膏中的硫酸含量影响铅膏中的晶相成分比例（三碱式和四碱式比例），对正极板的容量和寿命都有影响。<4>铅膏的视密度：*单位体积的铅膏所具有的重量为视密度。*合理的铅膏视密度可以在极板容量和填充密度之间达到优化关系。*铅粉的视密度与铅膏的视密度之间并无直接关系。41<5>孔特性与渗透性：

孔特性：指极板中孔率的大小。多孔性极板对于活性物质的充分利用和提高反应能力都有利。孔特性与铅膏视密度之间存在关联关系。

极板的可渗透性：指极板内的孔之间相连结的程度。当孔与孔之间不连接时，称为死孔，电解液无法渗透进去。第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（2）和膏工艺及设备<6>铅膏的粘稠度：

主要影响涂片的效果和极板的寿命等。42第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（3）板栅制造工艺及设备a.铅带成型机系统（铸造、压延、成卷）b.水平式铅带输送机c.切割、扩展、板栅成型机

（冲板耳、定高度、辊压菱形结点）d.涂片机（铅膏挤入菱形栅网并在正反两面贴纸）e.分片、干燥机（极板的表面快速干燥）f.极板收集、传送带等图5-11卷绕式电池板栅<1>拉网扩展式板栅制造系统始于20世纪70年代在国外发展起来的生产技术，在汽车SLI电池生产中得到了广泛应用。43第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（3）板栅制造工艺及设备<1>拉网扩展式板栅制造系统图5-10-拉网扩展式板栅制造系统44第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（3）板栅制造工艺及设备<2>连铸辊压式板栅制造系统图5-12连铸辊压式板栅制造<a>熔铅池和带冷却系统的辊鼓（辊鼓表面刻有板栅形状的槽）；<b>滚压轮（用于铸造后调整板栅带厚度）<c>冷却系统（用水对板栅带进行冷却）<d>收卷存放或连续涂板。

通过一个刻有板栅模板的辊鼓，与熔铅系统连接，直接在辊鼓表面熔铸板栅。由于辊鼓不断转动，因而可以不断地形成带状板栅产品。45第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备<3>电沉积板栅制造技术与设备图5-13连续电沉积法制造板栅的生产流程普通合金板栅的电沉积制造

以铅合金作阳极（电解中消耗），阴极是预制的带状导电的“板栅”基板，通电时，阳极溶解的铅合金被电沉积在阴极原始板栅基板上，达到一定厚度的沉积层后，取下原始基板得到需要的板栅。（3）板栅制造工艺及设备46第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备<3>电沉积板栅制造技术与设备（3）板栅制造工艺及设备复合板栅的电沉积制造

在不同的电沉积槽中安排不同的电解液配方，并且调整不同的电沉积电流，在连续电沉积过程中可以得到不同组成的电沉积层。用这种方法可以使板栅材料获得某些特殊的性质。电沉积法的优势：<a>通过改变电沉积条件，可以改变电沉积板栅的微观结构（晶粒大小、

形状与晶相组织等）、电解液中加入不同添加剂可以提高板栅强度、

耐腐蚀性能等。<b>板栅重量轻，有利于提高比能量和比功率。47第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（3）板栅制造工艺及设备<4>正在发展中的新板栅技术

为了降低板栅重量，已少量试产的新板栅制造方法有：*导电塑料板栅；*镀铅铜板栅；*铅布板栅（在玻璃丝表面包覆铅或铅合金后编织而成）；*铅合金与陶瓷复合板栅。第七次课结束点48第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（4）涂膏工艺及设备图5-14双面涂片机

平板式极板采用涂膏技术制作，使用涂片机。机械涂片分为单面涂片和双面涂片。

关键指标：铅膏的密度和稠度，取决于铅膏所用的液体总量及酸水比。管式极板采用挤膏技术或灌粉技术制作极板。涂膏工艺分为涂片、固化和干燥几步。49第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（4）涂膏工艺及设备<1>涂片：

将铅膏涂入板栅中，在稀硫酸中浸酸3-5秒（手工涂片时），或淋稀硫酸，然后进入表面干燥窑中进行干燥，温度为100-120℃，干燥时间2-5min，使极板表面部分失水，防止收板时出现极板相互粘连，但极板内部的水分不能失去，极板的含水量控制在8%--11%，以保证极板固化过程顺利进行。<2>极板固化：

在适当的温度和湿度下将极板进行存放，以便极板中的金属铅得到进一步氧化。固化过程会消耗氧气，需要不断地向固化室补充空气。50第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（4）涂膏工艺及设备图5-15全自动固化室固化的作用：a.使铅膏中的金属铅进一步氧化。固化前铅膏中的金属铅含量为15%左

右，固化后使正、负极活性物质的金属铅含量分别降至2.5%和5%左

右，这样化成后活性物质强度更好。b.继续进行碱式硫酸铅的结晶过程。c.使板栅表面生成PbO的腐蚀膜，增强板栅与活

性物质的结合。d.干燥极板：干燥后极板含水量应＜2%。51第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（4）涂膏工艺及设备固化条件：

固化分为高温高湿固化和低温高湿固化两种。固化类型高温高湿固化低温高湿固化固化阶段温度相对湿度时间温度相对湿度时间/℃/%h/℃/%h170-80≥952435-40≥9524235-40801235-408012350-60≤401250-60≤401252第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（4）涂膏工艺及设备湿度的影响：<1>金属铅的氧化速度：铅膏中含水7—8%时铅的氧化速度最高。<2>碱式硫酸铅的再结晶：在含水量大于5%的条件下才能显著进行。温度的影响：<1>30℃时铅的氧化速度较适合极板性能的优化。<2>碱式硫酸铅的再结晶过程受温度的影响。低温高湿条件下固化后的物相主要是三碱式硫酸铅，极板的初始容量高，寿命适中。高温高湿条件下固化后的物相主要是四碱式硫酸铅，极板的初始容量不如低温高湿条件固化的极板，但寿命长。

三碱式硫酸铅和四碱式硫酸铅可形成相互交联的纤维状结构53第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系（5）整平、剪切及设备5.2.5分步工艺及生产设备图5-16滚剪式分片机通过辊压对极板的平整度进行调整，同时采用剪切方式使极板的边缘变得规整。对于连续化自动极板制作工艺而言，也需要通过剪切使带状连接的极板分割出来形成所要尺寸的极板。54第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（6）极板化成工艺及设备图5-17铅酸蓄电池化成设备化成：将极板浸入硫酸电解液中进行强制的充电反应处理，使之得到活化的过程。未经过化成的极板为生极板，化成完成后的极板为熟极板。化成的电流等条件需要进行控制，一般需要5—10小时完成。正极板化成：进行强制电化学氧化，形成二氧化铅。负极板化成：进行强制电化学还原，形成金属铅。

化成过程复杂，涉及物质的价态变化，物质结构、极板孔隙率等的变化。55第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（6）极板化成工艺及设备<1>电解槽化成工艺图5-18极板外化成系统第一阶段：化学过程，极板浸入硫酸溶液后，其中的PbO、PbO·PbSO4、3PbO·PbSO4、4PbO·PbSO4等与硫酸反应形成PbSO4。此过程为放热反应。第二阶段：电化学过程，即正极上的硫酸铅被氧化为二氧化铅（主要为β-PbO2），负极上的硫酸铅被还原为海绵状铅。持续时间需7-8小时。此过程是吸热反应。但电流流过化成槽也产生焦耳热，综合结果是使化成槽温度上升，最后与散热过程达成平衡。56第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（6）极板化成工艺及设备<1>电解槽化成工艺化成条件：

化成用电解液的硫酸浓度一般控制在d=1.05—1.08g/cm3，温度控制在25--45℃之间，极板浸入电解液后1--3小时开始通电（视极板厚度确定，薄极板需时短些）。通电电流为分阶段式：第一阶段：0.1C—充电2小时；第二阶段：0.2C—充电至负极板显著冒气（正极已先开始冒气）；第三阶段：0.2C放电0.5—1小时；第四阶段：0.2C充电2—3小时；第五阶段：0.1C充电至槽压达到2.7—2.8V并稳定1—2小时为止。57第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（6）极板化成工艺及设备化成后的极板处理：*负极：极板化成完成后，从化成槽中取出，经水洗，自然风吹3--4小

时，送入干燥室干燥；*正极：极板化成完成后，从化成槽中取出，经水洗后直接送入干燥室

干燥。<1>电解槽化成工艺58

内化成概念：用生极板组装成电池后，注入化成用电解液，直接进行充电化成。这种方式称为内化成。

电解液：化成用的电解液比电池正常使用的电解液浓度低一些，因为在化成过程中，有一部分水会电解生成氢气和氧气析出。

化成程序：化成所采用的程序一般为三充两放制式。不同厂家设置的条件各不相同。<2>电池内极板化成工艺第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（6）极板化成工艺及设备59第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（7）电池组装与初充电工艺及设备电解槽化成后的极板组装电池的组装工艺流程图5-19电池组装和初充电工艺流程60第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备工艺步骤的说明：（7）电池组装与初充电工艺及设备<1>分板：对于小型电池的极板，为了提高生产效率，采取多连体极板制作工艺，完成后再用分板机分离。<2>集群配组：根据电池容量要求和极板容量，将不同数量的正极和负极进行组合，并在正负极极板之间安置隔膜。<3>焊极群：将配组后的极板群中的正极极耳群和负极极耳群分别用熔融铅进行熔铸连接。

手工方式：将极板的极耳嵌入焊板梳内，然后进行烧焊。采用乙炔氧焊枪现场熔焊。

模焊方式：将极耳群倒置于盛有融化的铅液模具中，待冷却后取出即可。现在已有铸焊机实施此项工作。61第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（7）电池组装与初充电工艺及设备工艺步骤的说明：<4>装槽和极性检查：根据产品结构控制适当的压紧力，装入到电池槽中。装好后要检查正负极的极性。<5>单格之间的桥式连接：所谓单格即为电池的基本单元，铅酸蓄电池的出厂规格一般是内串联式电池，所以需要进行单元之间的连接。<6>电池密封：目前的铅酸蓄电池的槽与盖之间大多采用环氧树脂粘合方式，很少采用过去的热封方式。所用粘合剂已有成品出售。62第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（7）电池组装与初充电工艺及设备工艺步骤的说明：<8>注电解液：先向电池内注入过量的电解液，待经过两充一放或三充两放的处理后，在末次充电的末期，在断电之前吸出多余的酸液，以免电池使用过程中漏酸。<9>初充电：用外化成活化后的极板组装电池，注入电解液后先放电（一般采用0.1C倍率放电至1.8V/单元时为止），然后再进行首次充电。后续的充放电制式随产品的不同而不同。<7>加密封圈和焊接端子：电池的端子大多采用焊接的方式与电池内部极柱连接，然后注入极柱密封胶。63第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.5分步工艺及生产设备（8）电池性能检测及设备电池制造完成后，需要测试电池的容量、内阻等参数。图5-20电池在线内阻检测<2>容量测试：

在电池充满电后，在温度为（25±2）℃环境条件中静置1-4h，然后以0.2C倍率放电至单体电池平均电压为1.6V为止，记录放电时间，计算放电量。电池放电量达到额定容量以上为合格。

容量测试采用电池充放电仪进行。<1>内阻测量

电池的内阻分为直流内阻、交流内阻，测试方法各不相同。一般采用交流阻抗法测试，选定1000Hz为基准频率。已有专门的交流法内阻测试仪销售。64第五章----化学电源工业过程5.2铅酸蓄电池工业体系5.2.6铅酸蓄电池原理与工业关系小结

（1）原理上的正极、负极材料不同，但工业上采用了相同的铅粉；

（2）原理上只关注物质分子的原子构成，而工业上要使一个分子构成的物质达到工业应用目的所需做出的努力是巨大的，如过程中结构的变化、过程条件的控制，终产品结构的变化、添加剂的使用等。

（3）原理：关注热力学关系合理性，工业过程：关注动力学问题。

（4）工业过程除了实现产品的制造外，还需要解决产品稳定性、制造工艺合理性、经济性、环保性等。学习工业过程不仅仅是为了了解工业，更重要的是从中发现工业中需要解决的问题并产生有价值的研究目标和内容。研发应当以应用的需要为目标！65第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池工业体系66第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.1镍氢电池工作原理负极反应：【5-11】正极反应：【5-12】电池反应：【5-13】消气反应：图5-20镍氢电池工作原理示意图67第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.2产品类别（1）电池种类：<1>电池结构符号：HR表示圆柱形镍氢电池，HF表示方形镍氢电池。<2>放电特性符号：L------适宜在0.5C以内放电；M-----适宜在0.5C----3.5C以内放电；H------适宜在3.5C----7.0C以内放电；X------适宜在7C----15C以内放电。68第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.2产品类别（2）电池构成：标准圆柱电池：正极材料（体积比40%）、负极材料（占体积比35%）、隔膜及电解液（占体积比20%）、其他（密封、外壳等，占体积比5%）。方形电池：根据用途和生产企业的差异，各材料比例有所不同。69第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（1）储氢合金材料及电极*20世纪60年代，人们已发现LaNi5等材料可以可逆地吸放氢，但纯的LaNi5合金循环性能不好，衰退很快。*1973年人们开始尝试用LaNi5合金作为储氢合金制作镍氢二次电池，但没能解决该合金在充放电过程中的容量迅速衰退的问题。*1984年，荷兰Philips公司采用Co等取代合金LaNi5中的Ni形成多组元合金，成功地解决了金属氢化物电极在充放电过程中的容量衰减问题。*80年代末期，日本率先实现了镍氢电池的产业化生产。70第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（1）储氢合金材料及电极储氢合金的吸放氢过程涉及多个步骤：<1>电极反应表面电化学反应：【5-15】吸附氢向合金内部扩散，形成氢化物：【5-16】71第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（1）储氢合金材料及电极<2>储氢合金种类

储氢合金通常是由易生成氢化物的元素A（如La、Zr、Mg、V、Ti等）与其他元素B（如Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al等）组成的金属间化合物。A类元素容易与氢反应，大量吸收氢，形成稳定的氢化物，并释放出大量的热。B元素通常条件下与氢的亲和力小，但氢很容易在其相中移动。

氢在储氢合金中以原子状态存在，处于合金的八面体或四面体间隙位置上。金属或金属间化合物都属于金属晶体，其晶体结构中的原子排列十分紧密，大量的晶格间隙位置可吸收大量的氢。同时在氢化物中氢是以原子态存在的，所以具有高储氢密度和高安全性。72第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（1）储氢合金材料及电极<2>储氢合金种类合金类型典型氢化物合金组成吸氢质量/Wt.%电化学容量/mA·h·g-1AB5LaNi5H6MmNia(Mn,Al)bCoca=3.5—4,b=0.3—0.8,a+b+c=51.3348330AB2Ti1.2Mn1.6H3ZrMn2H3Zr1-xTixNia(Mn,V)b(Co,Fe,Cr)ca=1.0—1.3,b=0.5—0.8,c=0.1—0.2,a+b+c=21.8482420AB3LaNi3H5LaNi3,CaNi31.56425360ABTiFeH2,TiCoH2TiNi2.0536350A2BMg2NiH4Mg2Ni3.695650073第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（1）储氢合金材料及电极<3>镍氢电池负极使用合金的要求*电化学储氢容量高，并且在较宽的温度范围（如-20℃--+60℃）不发生太大的变化；*具有适中的氢平衡分解压，电极反应可逆性好，氢化物的生成热ΔH要小于62KJ；*耐氧化能力强，在氢的阳极氧化电势范围内，储氢合金具有较强的抗阳极氧化能力；74第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料*催化活性高，对氢的阳极反应具有良好的催化作用，氢的扩散速率大，初期活化的次数要少；*在碱性电解液中的化学稳定性好，合金组分的化学性质相对稳定；*寿命长，在反复充放电过程中，不容易粉化，制成的电极能保持稳定；*具有良好的热和电的传到性能；*原材料成本低廉。（1）储氢合金材料及电极<3>镍氢电池负极使用合金的要求75第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料<4>合金的表面处理（1）储氢合金材料及电极

合金电极的电化学活化性能、电极反应动力学性能和在电解液中的抗腐蚀性能都与合金的表面特性有关。表面包覆：

储氢合金在充放电过程中容易氧化和粉化。除了调整合金成分可以提高抗氧化、粉化性能外，可以采用表面包覆方法进行改善。包括Cu、Ni、Co等金属或合金。可以防止表面氧化及钝化、在合金颗粒之间形成导电连接、并有助于氢原子向合金体相内扩散，提高充电效率、降低电池内压。76第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（1）储氢合金材料及电极<4>合金的表面处理酸/碱处理：

将合金浸泡在酸或碱液中，可以分别除去合金表面的氧化物及Mn/Al元素的偏析，从而在合金表面形成一层具有较高催化活性的富镍层，提高合金的导电性能。表面修饰：

在合金表面涂上一层亲水性/疏水性的有机物以改变合金的表面状态。有利于提高充电后期氢和氧化合成水的速度，从而降低电池内压，提高安全性和寿命。77第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（1）储氢合金材料及电极<4>合金的表面处理氟化处理：

储氢合金经HF等氟化物水溶液处理后，合金表面的微结构有很大变化。合金表面会覆盖一层厚度约1—2微米的氟化物，在氟化物层下的亚表面则形成一层电催化活性良好的富镍层。还原剂处理：

采用KBH4等还原剂处理合金表面，能够形成一层富镍的多孔层，具有很高的催化活性，同时还增大了电极的表面积。78第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（1）储氢合金材料及电极<5>储氢合金材料制备

储氢合金的组织结构（合金的凝固组织、晶粒尺寸及晶界偏析等）因合金的铸造条件（凝固冷却速度）及热处理工艺不同而不同，并对合金的电极性能产生重要影响。储氢合金的制备方法主要有：

感应熔炼法

电弧熔炼法

机械合金化法

还原扩散法

燃烧合成法图5-22合金的真空感应熔炼炉79第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（1）储氢合金材料及电极<5>储氢合金材料制备图5-23储氢合金制备工艺流程80第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料<6>储氢合金电极的制作

负极合金电极的制作采用储氢合金为主料，添加导电剂（如镍粉等）、粘接剂（如PTFE、CMC等）、溶剂混合而成。（2）氢氧化镍材料及电极（1）储氢合金材料及电极

氢氧化镍电极所用的材料为Ni(OH)2，充电后形成NiOOH。放电态物质为不导电物质，充电后物质具有半导体性质，为P型半导体，通过电子和电子缺陷进行导电。81第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（2）氢氧化镍材料及电极

当Ni(OH)2浸入电解液中，在固相/电解液相之间形成双电层。根据半导体理论，晶格中的Ni3+相对于Ni2+少了一个电子，称为电子缺陷；O2-相对于OH-少了一个质子，称为质子缺陷。图5-24Ni(OH)2/溶液界面双电层结构<1>电极反应晶格内：【5-17】固液界面：【5-18】82第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（2）氢氧化镍材料及电极<1>电极反应过度充电时两种方式释放氧气：【5-19】【5-20】【5-21】83第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（2）氢氧化镍材料及电极<2>氢氧化镍的结构图5-25氢氧化镍的α和β结构

商业化使用的氢氧化镍产品的形貌结构为球形颗粒，粒度分布范围一般在1--40µm，主要分布在5--10µm。实际上，每一个球形颗粒又是由更为细小的纳米颗粒团聚而成，因此，也有微纳结构之称。图5-26氢氧化镍球形结构84第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（2）氢氧化镍材料及电极<3>材料的制备

球形氢氧化镍的制备主要采取直接沉淀法、均相沉淀法、离子交换法等方法。<4>氢氧化镍的改性

纯的氢氧化镍存在几方面的问题：（a）导电性非常差，不利于用作电极材料；（b）材料的充放电循环不好，尤其是在过度充电时，容易由β结构变成γ结构，导致电极的膨胀；（c）材料利用效率低；改善的措施包括体相掺杂和表面包覆。85第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（2）氢氧化镍材料及电极<4>氢氧化镍的改性体相掺杂：

掺杂元素包括Co、Li、Zn、Cd、Ca等，主要改善材料晶体的循环稳定性、抑制膨胀、提高导电性，提高材料的利用率等。表面包覆：（a）表面包覆Co氧化物或氢氧化物，能够显著提高材料的表面导电性；（b）表面沉积Y氧化物或氢氧化物，可以显著提高材料的高温充电性能。<5>正极材料的制作

正极制作主要采用粘接式电极，按照一定的配方进行浆料配制，配料成分包括导电剂、粘接剂、溶剂等。86第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（3）隔膜材料<1>隔膜种类

镍氢电池所用隔膜是三维网状结构的高分子材料或复合材料：聚乙烯毡、PP/PE无纺布膜及其改性膜、PP/PE复合膜、维尼纶无纺布、PVC、PVA等。其中聚烯烃类隔膜由于其在KOH溶液中耐热、力学性能好、化学稳定性高，已成为镍氢电池产品的标准隔膜。图5-27无纺布的SEM图87第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池<2>隔膜的亲水化处理5.3.3电池材料（3）隔膜材料

电池隔膜要求具有较强的吸水性能，而合成纤维一般都具有一定的憎水性，聚烯烃类隔膜由于其碳氢结构缺少极性基团，吸水性能差，造成电池内阻大、影响电池容量和寿命。

改善亲水性：在聚烯烃隔膜的表面进行亲水单体的表面修饰，以增加隔膜的表面能来吸收电解液。磺化处理：磺化处理主要是在浓硫酸反应介质中使聚烯烃分子链上接枝磺酸基团。镍氢电池使用的主要是磺化聚丙烯隔膜。磺化处理的隔膜除了能改善亲水性外，对电池的自放电性能也有明显的改善作用。88第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（3）隔膜材料<2>隔膜的亲水化处理等离子体表面改性：通过对隔膜进行低温等离子体表面改性处理，能使材料的表面形态发生显著改变，引入多种含氧基团，使表面由非极性、难粘性改变为有一定极性、易粘性和亲水性。辐射接枝处理：辐照接枝的原理是聚合物在辐照下产生自由基，如果同时存在某种反应单体，则这种反应单体会与自由基产生反应，生成一种接枝的侧链。反应单体包括丙烯酸、甲基丙烯酸、硫酸、胺和季铵等，从而达到增大隔膜的亲水性、提高隔膜吸液能力的目的。

该方法优于其他接枝方法，能够得到品质均一的隔膜，且引入的杂质极少、被接枝的官能团性能稳定。89第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料<3>隔膜的评价指标（3）隔膜材料a.厚度均一性b.面密度c.透气率d.孔隙率e.孔尺寸和形状f.吸碱速度和吸液保液能力g.力学强度h.隔膜电化学性能i.耐电解液腐蚀能力j.胀缩率等。90第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（4）电解液<1>电解液构成

电解液为KOH水溶液，一般加入少量的LiOH和NaOH。常用比例为：KOH占66%以上，NaOH在30%以下，LiOH在2%--4%之间。<2>电解液注意要点（a）浓度：采用适当的浓度提高电解液电导能力、降低欧姆电压降；（b）电解液组成：电解液中添加NaOH和LiOH都是出于特定的目的；（c）电解液用量：可分为富液和贫液之分。对于不同用途的电池需要采取不同的电解液用量；（d）杂质影响：碳酸盐、氯化物、硫化物等杂质需要尽量避免。91第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（5）导电剂

为了提高电极的导电性，一般配料中都会添加导电剂。常用的导电剂材料包括乙炔黑、石墨粉和镍粉等。（6）粘接剂<1>粘接剂的作用

镍氢电池电极所用的粉体材料均需要采用粘接剂粘合制作电极。合理选择粘合剂不仅可获得大的放电容量，降低内阻，提高放电平台，降低内压和自放电，而且可以改善电池的循环性能和高倍率放电性能。92第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（6）粘接剂<2>粘接剂的要求*耐碱性好；*有一定的粘接强度和柔韧性，不膨胀，不松散，阻抗小；*高的电化学稳定性；*粘接剂膜有一定的透气性；*最好是既有一定的亲水性又有一定的憎水性；*成本低廉。93第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池<3>常用的粘接剂5.3.3电池材料（6）粘接剂

常用的粘接剂由聚乙烯醇（PVA）、甲基纤维素（MC）、羧甲基纤维素（CMC）、聚四氟乙烯（PTFE）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）等。

粘接剂有亲水性和憎水性之分，目前所用的粘接剂，采用单一粘接剂都很难满足电池的需要，更多的是采用亲水性和憎水性粘接剂联合使用的方法，可以大大提高电极的性能。94第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.3电池材料（6）集流体材料

电极所用的集流体材料包括泡沫镍（正负极均可用）、穿孔镀镍钢带（负极）、铜切拉网（负极）等。过去曾采用烧结式极板集流体，但此类集流体制作工艺复杂，目前仅在少数功率型电池中采用。图5-28泡沫镍材料结构95第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备

镍氢电池的制造工艺流程包括和浆、涂浆、极板干燥、辊压整平、滚切剪切、电池芯组装（圆形电池芯为卷绕、方形电池芯为叠片）、入壳、注液、封装、短路测试、化成、性能测试、分选、包装。（1）和浆

将正负极的配料按规定流程加入配料槽内，进行搅拌混匀。为了提高搅拌效果，一般采用多头搅拌设备，使和浆槽内的所有空间部位都能得到有效搅拌。此外，还需增加抽真空的条件，使得浆料在搅拌过程中不产生过多的气泡。图5-29和浆搅拌机及搅拌模式96第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（2）拉浆工艺镍氢电池的拉浆工艺一般包括集流体涂浆、烘干、辊压整平几个阶段。

正极：采用泡沫镍为基材，泡沫镍具有较高的孔隙率，对于正极而言，能够有效填充高密度球形Ni(OH)2，使电极的体积比容量及电池比能量得到显著提高。

负极：拉浆分为泡沫镍、镀镍钢带或铜切拉网基体的制作工艺。针对不同基底材料，配浆和拉浆工艺有一定的区别。图5-30立式拉浆线97第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（2）拉浆工艺电极拉浆制作工艺需要控制的关键点：*极板厚度的控制：需对泡沫镍厚度作预先压制调整厚度；*极板载量控制：通过调整浆料的粘稠度，可以辅助调整极板的载量；*极板厚度一致性的控制：需要严格控制厚度一致性，以实现电池容

量的一致性、装配松紧度等。可加装在线厚度控制仪进行现场检测。*浆料黏度控制：随季节变化而发生变化，需要对粘稠度进行调整，

满足不同季节生产极板的一致性要求。98第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（3）辊压整平

镍氢电池正负极极板均需进行辊压，一方面是将电极压密实，另一方面是使基板厚度达到一致。

辊压机的滚轴在受力时会发生一定的磨损，因此滚轮之间的间隙需要随时监测实时调整。辊压质量的好坏与滚轮的同轴性精度高低关系密切。图5-31辊压机99第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（4）滚剪/剪切

通过辊压机辊压后的极板仍为带状结构，可以先行收卷，也可以直接将辊压与剪切连线工作。首选需根据产品的规格要求，将宽带滚剪成符合宽度要求的极板带，然后再根据极板尺寸进行剪切。

图5-32对滚刀结构冲裁工艺：采用模具冲剪优势：极板成型性好；不足：边角料比例高。100第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（5）极板极耳焊接

在分剪的极板上焊接用于汇集电流的连接片，称为极耳。采用点焊机或缝焊机进行。（6）卷绕/叠片—入壳<1>圆柱形电池：将正极片、隔膜及负极片交依次叠放后用卷绕机进行卷绕，然后直接套入钢壳内。圆柱电池的封口是利用卷边压封方式，所以电芯入壳后需要在外壳靠正极一端用辊槽机辊槽（即在封口部位适当位置形成封口用的台阶）。<2>方形电池：将正极片、隔膜和负极片依次叠片，正极和负极的极耳分别对齐，然后捆包压紧，置于电池壳内。101第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（7）极柱焊接/注液/封口<1>圆柱形电池：极耳与盖帽正极直接焊接在一起，然后注液，最后进行封口。<2>方形电池：需先将极耳与极柱焊在一起，然后封口。注液是从安装安全阀的孔注入，所以可以先封焊电池盖板。（8）短路检测

装配好的电池单体，需要逐个地进行短路检测，对不合格单体进行剔除。第八次课结束点102第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（9）电池化成

镍氢电池的化成是对单体电池进行多次规定制式的充放电操作。电池通过化成处理，容量会出现逐步升高的现象，最后达到稳定。化成方式：（1）电池为全密封状态（2）采用恒流充放电（不同企业设置的充放电电流等条件不尽相同）（3）温度控制对化成有显著影响103第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（10）电池性能检测

分为产品出产检验和产品综合性能检测。出产检验：

根据产品的用途需求，设置不同的检测内容。一般而言，电池的容量、内阻是必测内容。综合性能检测：

根据电池产品的用途，在容量、内阻的检测基础上增加温度特性、倍率特性、循环寿命等内容的测试分析。104第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（11）分选/配组

对于普通民用产品，经常使用的是小组合电池组，例如无绳电话的电池为三个单体或四个单体的串联组合。因此首先需要根据电池容量和内阻特性进行合理配组，然后采用专用连接片通过点焊方式进行串联连接。

分选工作可以采用自动分选设备进行，但分选的有效性主要取决于分选参数的选择和精度要求。自动分选设备是集计算机、电动、气动及机械传动为一体的机电一体化设备。（12）其他工序包括热封包装膜、喷码标识，包装等。105第五章----化学电源工业过程5.3金属氢化物镍电池5.3.4镍氢电池生产工艺及设备（13）电池系统集成

电池系统是指以电池组为主体，配以其它管理控制功能的体系。因此电池配组虽然仍然是电池系统集成的重要内容，但电池系统的组合并不是简单的电池配组。电池集成系统通常会包含电池的检测管理系统（一般用BMS表示：Batterymanagementsystem）、电池温度控制系统、高压安全保护系统等构成。其中如何实现电池组的有效检测管理是十分关键的尖端技术。106第五章----化学电源工业过程5.4锂离子电池工业体系107第五章----化学电源工业过程5.4锂离子电池5.4.1锂离子电池原理锂离子电池是以两种不同的能够可逆地嵌入及脱出锂离子的嵌入化合物分别作为电池的正极和负极、以锂盐及非水有机溶剂构成的溶液为电解质的二次电池体系。（1）锂离子电池工作原理以碳为负极、LiCoO2为正极的电池表示为：（–）LiC6

︱LiClO4－PC+EC︱LiCoO2（+）108负极

碳在充电过程中首先嵌入锂离子，然后锂离子还原为金属锂原子嵌在碳材料的层间。放电时，锂原子被氧化为锂离子，然后脱嵌离开碳材料层间。正极正极中的锂离子在电池工作过程中无论是充电或放电，均不会发生价态的改变，真正发生变化的是正极材料中的主体元素。第五章----化学电源工业过程5.4锂离子电池5.4.1锂离子电池原理109第五章----化学电源工业过程5.4锂离子电池5.4.1锂离子电池原理（2）锂离子电池的命名（IEC）提出的锂离子电池产品命名原则：<1>圆柱形锂离子电池：用三个字母加上依次排列的5个数字符号表示；<2>方形