极耳正极板组装mhni电池的工艺研究

极耳正极板组装mhni电池的工艺研究

mh-ni电池具有优异的电磁性，无镉污染。随着各种电池的开发，它已成为一支高性能的“绿色能源”，并在近年来取得了很大的发展。D型系列MH/Ni电池则由于具有较高的单体容量,因此不但可以应用于诸如应急电源、电动工具等传统D型Cd/Ni电池的应用领域中,而且在新近发展起来的电动自行车、电动工具、通讯工具中也显现出了很好的市场前景。我们对D型系列MH/Ni电池也进行了研究。本文将介绍我们对生产2/3D型MH/Ni电池所采用的技术及工艺路线,以及两种结构正极板及电池极芯对电池性能影响的研究结果。1电池的容量配比选用外径、壁厚和高分别为31.4mm、0.5mm和43mm的表面镀镍钢制电池外壳,以及与之配套的密封圈(材料为尼龙合金)和低帽组合电池盖(高3.5mm,密封阀开阀压力为1.8~2.3MPa)。电池的外型尺寸设定为:外径31.4mm,高42mm。为保证电池的充电和循环性能,根据我们在其它电池设计中的经验,电池极芯中的正极和负极极板的容量配比控制为1∶1.6。电池的充电容量指标设定为0.2C充放电容量大于5Ah,1C放电容量在于4.5Ah。其它性能指标参照圆柱型MH/Ni电池的国家标准。2极芯端面焊的工艺路线在综合考虑极板的制造成本与极板性能的基础上,正极选用泡沫镍填充活性物质的生产工艺,负极选用镀镍穿孔钢带拉浆的生产工艺。在使用较短的正负极板的电池生产中,负极通过极芯外层极板与电池壳体接触导电,正极利用极板上焊接的极耳与电池盖连通进行导电。但在使用较长极板的电池中采用这种导电方式,将大大降低极板中活性物质的利用率以及电池的大电流充放电性能。对2/3D型MH/Ni电池来说,为保证充放电性能,使用较长的正负极板,这使得电池极芯中的正极板与电池盖、负极板与电池壳之间的导电连接方式成为影响电池性能和生产过程的重要环节。虽然可以借鉴在制备传统D型Cd/Ni电池中使用的极芯端面焊工艺,即利用所使用烧结正极板或镀镍穿孔钢带拉浆(或电沉积)负极板端面的可焊性,在极芯的正负极端面焊接集流导电片来传导电流,但2/3D型MH/Ni电池的极板情况却使实现正负极端面全部端面焊有一定的难度。根据我们选用的负极板带的实际情况,即负极极板带的集流体为穿孔镀镍钢带,采用在极板底边留出一定量的无孔钢带,可达到极芯负极端端面焊的技术要求。而对于极芯的正极端,由于我们使用的正极板采用了泡沫镍工艺,泡沫镍的焊接性能较差则限制了正极端端面焊工艺的实现。由于电池极芯的导电连接方式是由极板结构决定的,因此需要从调整极板(带)的制备工艺来解决正极板的导电问题。为此,我们分别实验了下面两种制备正极板及电池极芯的工艺路线。a.采用增加正极板上极耳的数量来提高导电性。首先用超声波在正极板的一边清洗出几个等间距的焊点,然后用点焊机焊接上镍极耳,并用绝缘胶带贴住镍极耳的下部进行防短路保护。在卷绕成极芯后再把这些极耳与电池盖点焊在一起。b.基于端面焊工艺可提高电池性能,我们用超声波清洗的方法,把辊压后极片的一边活性物质清洗干净,在极板带上形成压实的无涂浆镍边,并沿该镍边焊接上一条镍带以提高极板端面的可焊性。在卷绕过程中,使焊接镍带的一边高出隔膜,待卷绕完成后,把极芯正极端面与正极集流片进行端面焊,再把集流片与电池盖焊接在一起作为正极端的导电通路。焊接有极耳以及极板端面焊接镍带正极板如图1。对比这两种制备极板的过程可以看出,采用焊接极耳的方法可简化制备正极板时对涂浆设备的要求,但大大地增加了制备极板时的超声波清洗、焊接极耳、电池卷绕和焊接电池盖等生产环节的复杂性;而采用在极板的一边滚焊镍带的方法不但大大地提高了极板端面的可焊性,可满足极芯正极端端面焊的工艺要求,并可降低卷绕电池极芯过程中可能发生的极板折断现象的发生,从而有利于提高电池生产的成品率以及保证电池性能的一致性,但这种工艺也增加了对正极片清边、卷绕等工序的要求。3极板带和隔膜的制备在正负极板所用活性材料及极板制备工艺确定的情况下,组装电池时所用极板的尺寸、极芯卷绕压缩比和加电解液量等是影响电池性能的主要因素。为此,首先对这些影响因素进行实验,并结合生产的实际情况,最终确定了极板、隔膜、电解液量等主要工序的工艺技术参数。a.制备正极极板带时使用1.6mm厚的泡沫镍。极板带经辊压后裁剪成正极板,极板涂浆尺寸为490×30×0.6mm,质量为28g。上面给出两种正极板的外形尺寸虽存在一定的差别,但实验证明这些差别的影响可以忽略。b.制备负极极板带时使用0.045mm厚的镀镍穿孔钢带。极板带经辊压后裁剪成负极板,负极板尺寸分别为:620×30×0.32mm,质量为32g。c.隔膜为无纺布(P.P材质),尺寸分别为1100×32.5×0.16mm。d.电池极芯的最大直径及高度分别被限定在30.4mm和33mm。电解液KOH的质量分数为30%,每升电解液加24gLiOH,单体电池的加电解液量为11g。把制备好的正极板、负极板、隔膜在D型电池卷绕机上卷绕为电池极芯,再在极芯端面上焊接集流片并装入电池壳中。然后再依次经过滚槽、涂密封油、集流片(极耳)与电池盖和电池壳之间的焊接、加电解液、封口、电池化成、电池性能检测、容量分档、组合、包装等工序即可制备出成品电池。4电池充放电容量及电压差异对放电性能的影响电池的化学性能测试在上海产的DC-5电池测试仪器上完成。电池的活化方式为:用0.2C充放电循环3次即可达到电池的最大放电容量,其中充电量为设计放电容量的130%。表1给出了分别使用焊接有1、2、3、5个极耳的正极板,以及一个端面滚焊镍条正极板所制备2/3D型MH/Ni电池(分别表示为电池A、B、C、D和E)的0.2C及1C放电容量。从表1给出的放电结果可以看出,对于焊接极耳这种工艺,随着焊接极耳数量的增加,电池的放电容量依次增高,并逐步接近极芯正极端端面焊工艺所制备的电池。使用焊接3个或3个以上极耳的正极板以及采用端面焊方法来制备电池,尽管电池的放电性能有所差别,但都达到了容量设计要求,即0.2C充放电时电池的放电容量大于5Ah,1C放电容量大于4.5Ah。不同方法制备电池的充放电电位平台也有相似的变化规律。图2给出了点焊有3个极耳及端面焊电池的0.2C充放电和1C放电曲线。显然,端面焊工艺不但降低了电池的充电电压平台,有较高的放电电压平台,而且在大电流放电时的电压平台相差更大,即由0.2C放电时的放电中值电压相差18mV增加到1C时的25mV。增加极耳数量或使用端面焊工艺在增加放电容量和放电电位的同时,也更有利于电池的大电流放电性能。从生产的角度来说,尽管采用增加极耳的方法可以提高电池的性能,但增加极耳数量将增大极板超声波清洗、焊接极耳、粘贴绝缘胶纸带,以及极耳与电池盖之间焊接等工序的工作量及原材料消耗,同时也不利于电池极芯的卷绕。在综合电池的放电性能与实际生产后认为,如果选择正极板焊接极耳的工艺路线,可以根据对电池不同倍率充放电性能的要求,选取焊接3个或3个以上极耳的正极板(对于一般的使用要求,选取焊接3个极耳正极板的工艺为好)。如果对电池的高倍率充放电性能有特别要求,则可以选择端面焊工艺路线。电池充放电循环性能测试中的充电量为设计容量的120%,环境温度为室温(8~25℃)。图3给出了点焊有3个极耳及端面焊电池初期0.2C充放电循环性能。从电池的放电容量随循环次数的变化曲线可以初步看出,电池保持了较好的充放电循环性能。在上面实验的基础上,根据客户对电池性能的要求,分别使用焊接有3个极耳的正极板和端面焊工艺试制了一批2/3D型单体MH/Ni电池,然后对单体电池的容量和电压进行分档,并组装成4.8V的电池组。初步充放电测试结果及用户的使用结果都表明,这些组合电池的性能可以满足诸如应急照明灯、电动玩具等用电器对高性能MH/Ni电池的需求。5工艺路线b.2c放电容量使用焊接3个或3个以上极耳的正极板以及采用端面焊方法所制备的2/3D型MH/Ni电池,尽管电池的放电性能有所差别,但都达到了设计要求。其中,0.2C放电容量大于5