劉傳永，李 娟，陳 晗，劉建華

（1. 湖南工業(yè)大學 包裝與材料工程學院，湖南 株洲 412007；2. 湖南工業(yè)大學 冶金工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

鎳氫電池在電子產(chǎn)品、電動工具、電動自行車和電動汽車等產(chǎn)品中日益受到青睞。動力型電池需達到高能量密度、高倍率充放電、循環(huán)壽命長和容量大等要求，而鎳氫電池卻不能完全滿足，因此，開發(fā)動力型鎳氫電池已成為一種研究趨勢[1-2]。雖然SubC型鎳氫電池已在電動工具中普遍使用，但是很難同時滿足高容量、高倍率、循環(huán)壽命長的要求。

經(jīng)過多方面探索與實驗，在卷繞極組的2個端面（即正負極的端面）各焊接一個集流圓片，可使極組產(chǎn)生的電流集流在集流圓片上，分別直接與電池正負極相接。這樣在電池結(jié)構(gòu)上改變了普通鎳氫電池的集流方式，較大地提高了放電倍率。但端面焊機要求的電流極大，并非普通點焊機所能達到的，原因是端面焊機是兩面之間的電弧。經(jīng)過反復實驗，筆者已成功研制出了端面焊機，保證了SubC型鎳氫電池的研制。本文將對高性能SubC型鎳氫電池的研制過程進行詳述，對其充放電特性進行研究。

1 實驗

1.1 電池的制備

正極板采用泡沫鎳拉漿工藝，將活性物質(zhì)調(diào)成漿料用拉漿機填涂在泡沫鎳基板上，經(jīng)干燥和碾壓成形后裁剪而成；負極板采用穿孔鋼帶拉漿制成。電池制備具體工藝流程如圖1[3-4]所示。

圖1 制備工藝流程圖Fig.1 Flowchart for preparation process

電池卷繞時正負極板上下錯開，中間用隔膜隔開。卷好后用端面焊機在極芯兩端面分別焊正負集流片，正極向上裝入鍍鎳鋼殼，用點焊機把負極集流片與殼底焊牢，然后進行滾槽等后續(xù)工作。電池出來后，靜置8 h，以0.1C充電3 h，然后放入烘箱以55 ℃烘24 h進行預(yù)活化，取出靜置2 h后再進行化成。

1.2 電池化成制度

注液封口后室溫下放置24 h→0.1C5充電3 h→在55 ℃的恒溫箱中放置24 h取出在室溫下放置1 h→0.1C5放電到1.0 V→0.1C5充8 h放電到1.0 V→0.1C5充10 h放電到1.0 V→0.1C5充14 h放電到1.0 V。

1.3 電池性能檢測

采用DC-5電池測試儀（上海正方電子電器有限公司）、ZEEMOO電池內(nèi)阻測試儀（哈爾濱子木科技有限公司）對制備出的SubC 型MH-Ni電池進行充放電實驗和內(nèi)阻檢測。電池化成后在室溫下分別以0.1C5, 1.0C5和2.0C5三種不同倍率進行充放電實驗，充電容量為放電容量的1.5倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 電池充放電性能

選取極板厚度為0.65 mm的電池進行不同倍率充放電實驗，充放電曲線如圖2所示。從圖可看出，無論是低倍率放電還是高倍率放電，電池放電電壓平臺均可達到1.2 V以上，容量均在2 600 mA·h左右，且1.0C5的放電曲線中，處于1.2 V放電電壓平臺的電池容量達到總?cè)萘康?5%以上。

圖2 電池在不同倍率下的放電曲線Fig.2 The battery discharging curve at different rate

為考察該電池的充放電循環(huán)壽命，以1.0C5充放制度進行30次充放電循環(huán)，循環(huán)曲線如圖3所示。結(jié)果表明循環(huán)容量均在2 600 mA·h附近，且其性能穩(wěn)定。

圖3 電池循環(huán)曲線Fig.3 The battery cycle curve

2.2 電池正極板厚度與加液量及內(nèi)阻的關(guān)系

將0.60, 0.62, 0.65 mm厚度的正極板制成3組電池，每組分別加入不同量的電解液4.0, 4.5, 5.0 g。以0.1C5充電3 h后測量其內(nèi)阻，測量結(jié)果見表1。由表可知，電池內(nèi)阻均較小。這說明采用端面焊工藝，優(yōu)化了電池結(jié)構(gòu)，正負集流片使電池的集流能力增強。由于動力電池放電的特點是瞬間高倍率放電，除了電池結(jié)構(gòu)對電池內(nèi)阻有影響外，正極板厚度和加液量也會直接影響電池的內(nèi)阻[5]，因此有必要研究正極板厚度和加液量的優(yōu)化選擇。從表中還可看出，加液量在4～5 g的范圍內(nèi)，內(nèi)阻的變化相對較大，其規(guī)律表現(xiàn)為加液量增大內(nèi)阻變小。

表1 不同正極板厚度及加液量的電池內(nèi)阻Table1 The internal resistant of different electrode thickness and electrolyte content

2.3 制備工藝對電池性能的影響

實驗證實了正極板厚度對電池性能有一定的影響。圖4為不同厚度正極板的電池其容量隨放電倍率的變化圖。

圖4 正極板厚度對電池性能的影響Fig.4 The effect of electrode thickness on battery performance

由圖可知，放電倍率越大則電池容量下降越大，但采用不同厚度的正極板時，其下降幅度不同。采用0.65 mm正極板的電池在小倍率放電時容量較高，隨放電倍率的增大其容量有較小衰減；采用0.62 mm正極板的電池在小倍率放電時容量也較高，但隨放電倍率的增大其容量有較大衰減；采用0.60 mm正極板的電池容量衰減較小，但其容量偏低。由此可知，薄極板有助于提高電池大倍率放電性能，但極板越薄則活性物質(zhì)容納量越少，反而不利于容量的提高，因此適當?shù)恼龢O板厚度才是最優(yōu)的。綜合考慮，本次研制中選用0.65 mm厚度的正極板。

圖5為加液量與電池容量的關(guān)系曲線。

圖5 加液量與容量關(guān)系Fig.5 Relation of electrolyte content and capacity

由圖可知，當電解液量在1～4g范圍內(nèi)時，電池的放電容量隨電解液的增加而增加。但從循環(huán)實驗發(fā)現(xiàn)，當加液量為4g時，電解液很快會通過反應(yīng)消耗一少部分，極片表面會變干枯而不利于質(zhì)子運動；當電解液量小于4g時，電池內(nèi)部的活性物質(zhì)得不到充分利用，電池容量下降很快；當電解液量為4g以上時電池容量變化不大。因此，電池的最低加液量不能少于4g，當電池在循環(huán)過程中的電液量逐步被消耗到低于4g后，電池的壽命也將趨于完結(jié)。

從圖5還可得出，加大電液量對電池的性能是有益的。但實驗發(fā)現(xiàn)，當電解液量達到7g以上時，電池極芯（包括極板和隔膜）不能把電解液全部吸收，即產(chǎn)生較多富液，給電池封口造成困難，并且在充放電時容易形成“氣漲”造成漏液，特別是在大電流充放電時較易漏液。在確保大電流充放電時電解液不泄露的前提下，要獲得最大的電池容量且保證正負極板的充分反應(yīng)，綜合考慮并通過實驗反復比較，最終確定5g為SubC型電池的加液量。

大電流放電是電動工具動力電池的重要性能。為了滿足電池低內(nèi)阻、大電流放電的要求又不增加工藝的復雜性，電池制作中特采用端面焊工藝。由于正極板是用泡沫鎳填充活性物質(zhì)做成，而泡沫鎳的焊接性能較差，給極芯正極端面實現(xiàn)端面焊帶來困難。為解決這一問題，拉漿時在泡沫鎳基板上預(yù)留一條無漿泡沫鎳邊，碾壓后將此無漿泡沫鎳邊的少許活性物質(zhì)清洗干凈，并沿該鎳邊焊接上一條鎳帶，這樣不僅提高了極板端面的可焊性，而且可減少卷繞電池極芯過程中極板折斷現(xiàn)象。

負極板是以穿孔鍍鎳鋼帶為基板拉漿制成。制作時控制穿孔鋼帶中孔的數(shù)量與寬度，使極板的邊沿部分的集流體為無孔鋼帶，從而使極板的端面具有可焊性。在實際制備極板的過程中，為防止邊沿部分的活性物質(zhì)脫落而造成電池在使用過程中的短路現(xiàn)象，采用把負極上邊沿的活性物質(zhì)刮除的方法，露出下面的無孔鋼帶。實驗表明，這種處理也可增強極芯負極端端面的焊接能力。

2.4 極板固相質(zhì)子擴散及加液量的討論

1）正極板厚度對電池性能的影響。由于氫氧化鎳電極的充放電過程實質(zhì)上是質(zhì)子（H+）擴散轉(zhuǎn)移的過程，對于不同厚度的極板其質(zhì)子擴散路徑不同[6]，因此，極板的厚薄決定了這種擴散的難易。質(zhì)子在薄極板中的擴散路徑較短且簡單，擴散阻力小，容易擴散；質(zhì)子在厚極板中的擴散路徑相對較長且復雜，擴散阻力大，不易擴散。在小倍率放電時，質(zhì)子有較充分的時間進行擴散，薄極板的優(yōu)勢體現(xiàn)不出來，而它單位面積上的活性物質(zhì)量小于厚極板，所以在容量上劣于厚極板。在大倍率放電時，薄極板的擴散優(yōu)勢占主導地位，厚極板因其擴散較難所以其容量衰減較大。

2）加液量對電池性能的影響。加液量要滿足電池反應(yīng)的需要，電解液加量太少時，電解液不能充分潤濕極板，以致于正負極活性物質(zhì)不能充分反應(yīng)；而且過少的電解液不能充分潤濕電極內(nèi)的毛細管，致使電極反應(yīng)面積大大減小，且質(zhì)子擴散通路部分不能連通，嚴重影響質(zhì)子在電極內(nèi)的擴散，電極反應(yīng)速度大大降低，造成電池內(nèi)阻增大。電解液加量過大時也會給電池造成不良影響。

鎳氫電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)[7]如下。

式（3）中，M為儲氫合金，MH為金屬氫化物合金在氫氧化鉀電解液中充電時，合金表面進行電化學反應(yīng)，脫離水分子的氫[8]。

當電池過充電時，正極主要發(fā)生析氧反應(yīng)

正極析出的氧氣通過隔膜到達負極，并在負極表面發(fā)生還原

加液量過多時，電池一旦過充電，正極要析出氧氣，而且還要電解水產(chǎn)生氧氣，使得負極氧復合能力逐漸減弱，隨之電池內(nèi)壓升高產(chǎn)生氣脹，導致電池泄氣或漏夜[8]，因此，必須確定合適的加液量。

3 結(jié)論

本文研究了一種新型泡沫鎳正極板的生產(chǎn)工藝，即將正極板的一邊刷邊后再焊接上一條鎳帶使之達到端面焊的要求。端面焊的實現(xiàn)，優(yōu)化了電池結(jié)構(gòu)，滿足了電池大電流放電的要求，保證了電池大電流放電時具有較高容量，并能降低電池的內(nèi)阻。

電池的正極板厚度對電池的容量有影響，極板越薄越有利于高倍率的充放電，但會使活性物質(zhì)的填充量減少，造成放電容量降低。同時極板厚度對電池的內(nèi)阻也有較大影響，合適的厚度內(nèi)阻會較小。綜合幾種因素可知，0.65 mm的極板厚度對SubC型鎳氫電池的綜合性能是有利的。

加液量的多少對電池的容量也有較大關(guān)系，當加液量在1～4 g的范圍內(nèi)時，隨加液量的增大，放電容量也增大；當加液量大于4 g后對放電容量影響較?。患右毫繛? g左右時，既能使活性物質(zhì)得到充分利用，又能保證電池不漏液，此時可制備出高容量和高倍率的SubC型鎳氫電池。

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