新型拉漿式少維護(hù)堿性鐵鎳蓄電池裝配結(jié)構(gòu)研究①

閻登明,歐霜輝

(1.輕工業(yè)化學(xué)電源研究所，江蘇 蘇州 215006; 2.佛山市南海新力電池有限公司,廣東 佛山 528200)

自從19世紀(jì)末愛(ài)迪生發(fā)明鐵鎳電池已經(jīng)一百多年了，由于鐵鎳電池具有綠色環(huán)保，材料來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，安全、可耐過(guò)充過(guò)放電，循環(huán)壽命長(zhǎng)、可靠性高等獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，在電力機(jī)車、煤礦井下、鐵路信號(hào)等領(lǐng)域還在使用中。目前生產(chǎn)鐵鎳電池的正負(fù)極都采用孔率10%左右的穿孔鍍鎳鋼帶，生產(chǎn)的袋式開(kāi)口鐵鎳電池充放電效率低，不能高倍率放電，自放電大，不能密封，生產(chǎn)工藝復(fù)雜限制了其使用和發(fā)展。

電極在循環(huán)充放電過(guò)程中，正極和負(fù)極都遵循膨脹-收縮機(jī)理。電極本身客觀存在正常膨脹和異常膨脹，正常膨脹主要是活性物質(zhì)密度的變化、溶解與沉積、基體的腐蝕與氧化、電極微孔中氣泡的壓力等；異常膨脹主要是電池內(nèi)部活性物質(zhì)的雜質(zhì)、活性物質(zhì)填充量過(guò)大、電極制成厚薄不均勻等等。袋式鐵鎳電池的負(fù)極的膨脹率約12.5%，正極膨脹率約15.8%。在制造過(guò)程中無(wú)論是正常膨脹，還是異常膨脹都是必須想辦法有效加以控制的。在新型鐵鎳電池的材料、添加劑、設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)研究方面，近年來(lái)，中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所、四川大學(xué)、哈工大、中南大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、蘇州科技大、河師大、佛山市南海新力電池有限公司、河南創(chuàng)力新能源科技股份有限公司、深圳市洋浦新豐科技有限公司等高校和公司進(jìn)行了深入研究并取得了可喜進(jìn)展。在新型鐵鎳電池的材料改進(jìn)、添加劑選用、電池制造工藝、電池裝配、等方面都取得了長(zhǎng)足發(fā)展，一直存在的荷電保持能力不高、不能大電流充放電、低溫性能不好等電性能都有極大的改善，拓展了新型鐵鎳電池在儲(chǔ)能、基站、UPS、太陽(yáng)能光伏配套的應(yīng)用。本文針對(duì)塑料殼方形少維護(hù)鐵鎳電池在充放電過(guò)程中的漲肚和使用維護(hù)周期短的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。

1 電極極組排氣通道的研究

鎳鐵電池的主要核心問(wèn)題集中在鐵負(fù)極一端，其中析氣問(wèn)題、自放電問(wèn)題以及充電效率低主要由于鐵的析氫過(guò)電位低，易與電解液中水發(fā)生反應(yīng)所引起的。所以，一百多年來(lái)鐵鎳電池一直就是生產(chǎn)開(kāi)口的袋式鐵鎳電池。

鐵負(fù)極在堿性溶液中的電位是負(fù)的0.827V，而在堿性條件下，水的分解電位也就是水電解析出氫氣的電位是負(fù)的0.803V，在堿性條件下，由于鐵負(fù)極的電位比水分解電位更負(fù)，所以，鐵鎳電池在充電時(shí)很容易析出氫氣，在負(fù)極大量氫氣的產(chǎn)生，而沒(méi)有正極的氧氣來(lái)復(fù)合，產(chǎn)生的氫氣必然對(duì)電極材料產(chǎn)生影響，造成電極活性物質(zhì)的脫落，影響電池的循環(huán)壽命。近年來(lái)，大力進(jìn)行的免(少)維護(hù)富液方形鐵鎳電池和貧液圓柱密封鐵鎳電池的研發(fā)，通過(guò)材料的制造的改進(jìn)、添加劑的加入，極大的改善了降低了析氫速度，本文作者研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2013年在國(guó)際上試制了第一只貧液條件下的圓柱密封鐵鎳電池。但是，富液條件下的方形大容量少維護(hù)鐵鎳電池，仍然存在鐵鎳電池在充電時(shí)，由于氫氧沒(méi)有達(dá)到一種相對(duì)的平衡，而鐵負(fù)極充電產(chǎn)生的氫氣進(jìn)一步影響電池循環(huán)壽命。

本文為進(jìn)一步減少和降低氫氣析出對(duì)電極的影響，以進(jìn)一步提高鐵鎳電池的循環(huán)壽命，采取了隔膜與排氣式隔板組合方式，來(lái)建立氫氣直排式通道。排除了傳統(tǒng)的在正負(fù)極之間用隔膜或隔板單一結(jié)構(gòu)的正負(fù)極隔離物，也摒棄了所謂在隔膜與圓孔或菱形隔板界面破碎氣泡的做法[1]，圓孔或菱形隔板孔率低，僅有40%～50%，影響電池快速充放電，也使氫氣留存在電極表面，影響電極性能。直排氣式隔板的材料可以是聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、ABS、尼龍塑料等等。其厚度在0.1mm ～0.3mm， 排氣式隔板的筋直徑為0.5mm～2mm，隔板四邊邊寬2mm ～5mm，四邊邊厚度0.5mm ～2mm，與筋的直徑匹配，厚度不超過(guò)筋直徑。L與B尺寸與正負(fù)極板尺寸匹配；不像圓孔或菱形隔板的加入造成電極有效反應(yīng)面積減少40%～50%[1]，排氣式隔板的引入保證了原有鐵負(fù)極的電極反應(yīng)有效面積。

所需要的鐵負(fù)極為拉漿式、涂膏式、壓成式、袋式、燒結(jié)式、發(fā)泡式等生產(chǎn)工藝制造的鐵負(fù)極板。

圖1 排氣式隔板結(jié)構(gòu)Figure 1. Exhaust baffle structure

排氣式隔板其結(jié)構(gòu)如圖1所示：排氣式隔板的筋直徑為0.5 mm ～2mm，隔板四邊邊寬2mm ～5mm，四邊邊厚度0.5mm～2mm，與筋的直徑匹配，厚度不超過(guò)筋直徑。L與B尺寸與正負(fù)極板尺寸匹配。

2 電池裝配松緊度的控制及電池裝配研究

本文研究采取了目前先進(jìn)的正負(fù)極拉漿技術(shù)來(lái)生產(chǎn)新型免維護(hù)鐵鎳電池的正負(fù)極板。該拉漿技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)槭菨穹ɡ瓭{，而沒(méi)有傳統(tǒng)袋式電極制造的粉塵產(chǎn)生，消除了生產(chǎn)中環(huán)境的污染。為了有效控制正負(fù)電極的膨脹，延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命，除了要保證生產(chǎn)的電極厚薄均勻、減少材料雜質(zhì)等消除異常膨脹外，還要參照袋式鐵鎳電池的正負(fù)極膨脹率，通過(guò)極組頭尾不銹鋼板的定位控制，再加上不銹鋼抽帶式卡箍，保證電池的松緊度在70%左右。

本文研究的一種堿性鐵鎳蓄電池的裝配制造方法，要解決的技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題是分別通過(guò)控制極組和電池的松緊度，保證電極不掉粉，有充足的電解液量，制成成本低、工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高，來(lái)制造壽命長(zhǎng)免維護(hù)或少維護(hù)的新型鐵鎳堿性蓄電池[3]。包括以下流程。

(1)準(zhǔn)備需要裝配的帶304不銹鋼集流板(帶孔的)的正極和負(fù)極、隔膜、304不銹鋼內(nèi)裝配螺釘、304不銹鋼螺母、304不銹鋼墊片等零配件、正負(fù)極鍍鎳專用極柱、304不銹鋼板、304不銹鋼抽帶式卡箍、殼、蓋、正負(fù)極極柱塑料墊圈、鍍鎳不銹鋼墊片、鍍鎳螺母等；

(2)按要求用隔膜從極板底部折疊分別包正、負(fù)極，極板另三邊非折疊隔膜超過(guò)極板邊沿3mm～6mm；

(3)用熱和封口機(jī)將極板另三邊非折疊隔膜沿極板邊緣熱封；

(4)在專用裝配設(shè)備上分別放好正負(fù)極304不銹鋼內(nèi)裝配螺釘，304不銹鋼墊片放入正負(fù)極304不銹鋼內(nèi)裝配螺釘，把包好隔膜的極板按照正級(jí)-排氣塑料隔板-負(fù)極交替放入正負(fù)極304不銹鋼內(nèi)裝配螺釘，極板放入一半數(shù)量后在正負(fù)極304不銹鋼內(nèi)裝配螺釘上分別放入正負(fù)極鍍鎳專用極柱，然后，接著將剩余的一半包好隔膜的極板按照正極-排氣塑料隔板-負(fù)極交替放入正負(fù)極304不銹鋼內(nèi)裝配螺釘，極板裝配完后，304不銹鋼墊片放入正負(fù)極304不銹鋼內(nèi)裝配螺釘，最后，用304不銹鋼螺母分別緊固電池極組；

(5)把304不銹鋼板放置于極組頭尾兩片的包好隔膜的負(fù)極板上；

(6)用2條～3條304不銹鋼抽帶式卡箍卡住極組；

(7)將極組放入電池塑料殼：

(8)按順序按極性將蓋、正負(fù)極極柱塑料墊圈、鍍鎳不銹鋼墊片放入正負(fù)極鍍鎳專用極柱，擰緊鍍鎳螺母；

(9)電池裝配完畢，殼蓋封口，加入電解液，經(jīng)化成，制成成品。

本研究所用的零配件具體的要求十分重要，電池塑料殼內(nèi)的304不銹鋼的集流板、正負(fù)極304不銹鋼內(nèi)裝配螺釘、304不銹鋼墊片、304不銹鋼螺母是不鍍鎳的，而殼子外的正負(fù)極鍍鎳專用極柱是鍍鎳的。304不銹鋼抽帶式卡箍是抽帶式的。以保證電池極組在循環(huán)過(guò)程中隨電極的正常膨脹而放松。與正負(fù)極極板尺寸相同的304不銹鋼板放置于極組頭尾兩片的包好隔膜的負(fù)極板上。304不銹鋼板的厚度是0.3mm～1.5mm，放置于極組頭尾兩片的包好隔膜的負(fù)極板上。

用2條～3條304不銹鋼抽帶式卡箍卡住極組；

依據(jù)電池型號(hào)規(guī)格的不同，304不銹鋼抽帶式卡箍長(zhǎng)200mm～1000mm，寬度3mm～30mm，厚度0.1mm～1.5mm，304不銹鋼抽帶式卡箍卡住極組的松緊度為85%～90%，

%=(正極厚度X片數(shù)+負(fù)極厚度X片數(shù)+隔膜厚度X片數(shù)+兩片鋼板厚度)÷ 304不銹鋼抽帶式卡箍厚度

將極組放入電池殼，電池的松緊度為68%～80%

電池松緊度%=極組厚度÷電池塑料殼內(nèi)厚度

3 研究改進(jìn)前后對(duì)比

經(jīng)過(guò)在正負(fù)極電極之間加上直排氣塑料隔板，控制電極極組和電池裝配的松緊度，使電池的電性能有了很大提高。改進(jìn)后，方形塑料殼鐵鎳電池在充放電過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)漲肚，殼壁凸出等問(wèn)題，相同體積的鐵鎳電池拉漿式的比袋式的重量比能量從原來(lái)20wh/kg提高到35wh/kg～40wh/kg，體積比能量從原來(lái)的35wh/L～40wh/L提高到70wh/L～80wh/L電池的維護(hù)保養(yǎng)周期從原來(lái)的3～5個(gè)月延長(zhǎng)到1年～2年。電池的其他電性能荷電保持能力、大電流充放電、低溫性能等都有所改善。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究這種少維護(hù)的方型鐵鎳電池，在正負(fù)極之間放置氣體直排式的塑料隔板，在極組的頭尾兩端放置與負(fù)極尺寸相同的304不銹鋼板和用304抽帶式卡箍固定極組，來(lái)控制極組和電池的松緊度，保證電極不掉粉，而且有充足的電解液量，延長(zhǎng)了電池循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上。因此，在盡力不斷提高改進(jìn)重量比能量和體積比能量的前提下，充分發(fā)揮該體系電池的安全、綠色環(huán)保、長(zhǎng)壽命、低成本等的突出特點(diǎn)。對(duì)于固定放置電池組和電池模塊的場(chǎng)合，使用場(chǎng)合對(duì)電池體積和重量要求不高的使用領(lǐng)域，比如在儲(chǔ)能、UPS、基站、電站電廠、光伏太陽(yáng)能的配套使用等是有充分的優(yōu)勢(shì)，必將拓展新型少維護(hù)鐵鎳電池的應(yīng)用范圍。

[1] Encell technology , Inc. Nickel-Iron battery comprising a gas channeling polylefin separator inlay Mar[P].12,2015 sheet 1 of 3 US 2015/0072226 AI.

[2] Encell technology, Inc.Nickel-Iron battery comprising a gas channeling polylefin separator inlay Mar[P].12,2015 sheet 1 of 3 US 2015/0072227 AI.

[3] 閻登明.壓成式堿性鐵-鎳蓄電池TN(Y)-10試制報(bào)告[Z].1984年4月,內(nèi)部資料.