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CN1211089A - 碱性蓄电池 - Google Patents

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CN1211089A
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吉井史彦
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Abstract

本发明涉及碱性蓄电池的一种改进,并且通过抑制电极电阻的增大,提供了一种特别是在低温下高比值放电特性优良的蓄电池。该碱性蓄电池包括:一个正极,包括一种金属氧化物作为主要构成材料;一个负极,包括一种氢吸收合金;一种隔离物;及一种碱性电解质;其中负极具有10—40mAh/cm2的每单位面积容量。

Description

碱性蓄电池
本发明涉及碱性蓄电池的一种改进，具体地说，涉及适于低温下大电流放电的电极组件结构的一种改进。
最近几年，伴随着电气设备重量轻和尺寸小的强烈趋势，作为其电源对于小尺寸高容量电池的需要已经在增大。而且在作为具有高可靠性电池的碱性蓄电池中，跟上述趋势一致，已经在努力增大镍镉蓄电池的容量，或者开发和改进把具有高能量密度的氢吸收合金的用作负极的镍金属氢化物蓄电池。这类碱性蓄电池具有较大的优点：由于其电解质是水溶液型碱性电解质，所以能以大电流充电和放电。
一般通过把一个负极板和一个正极板，以一种隔离物插入在其之间，建造成螺旋绕制的电极组件，然后把集电器焊接到正极板和负极板的各自端平面上，整个装入一个电池壳体中，及然后把预定量的含水碱溶液作为电解质倒入壳体中，制备这些电池。
以前的镍金属氢化物蓄电池，与镍镉蓄电池相比，当以大电流放电时，特别在低温下，表现出其放电容量的显著减小。
本发明的主要目的在于，通过抑制低温下负极活性的降低，特别是通过抑制电极电阻的增大，提供一种低温下高速率放电特性优良的碱性蓄电池。
为了解决上述问题，本发明提供了一种碱性蓄电池，该碱性蓄电池包括：一个正极，包括一种金属氧化物，最好是氢氧化镍，作为主要构成材料；一个负极，包括一种氢吸收合金；一种碱性电解质；及一种隔离物；其中负极具有10-40mAh/cm2的每单位面积容量。
图1是在本发明实例中所示镍金属氢化物蓄电池的部分剖视图。
本发明的第一实施例涉及一种碱性蓄电池，该碱性蓄电池包括：一个正极，包括一种金属氧化物，最好是氢氧化镍，作为主要构成材料；一个负极，包括一种氢吸收合金；一种隔离物；及一种碱性电解质；其中负极具有10-40mAh/cm2的每单位面积容量。
本发明的第二实施例涉及一种碱性蓄电池，该碱性蓄电池包括：一个正极，包括一种金属氧化物，最好是氢氧化镍，作为主要构成材料；一个负极，包括一种氢吸收合金；一种隔离物；及一种碱性电解质；其中负极相对于正极的那部分容量至少是总负极容量的0.8倍。
本发明的第三实施例涉及一种碱性蓄电池，该碱性蓄电池包括：一个正极，包括一种金属氧化物，最好是氢氧化镍，作为主要构成材料；一个负极，包括一种氢吸收合金；一种隔离物；及一种碱性电解质；其中负极具有10-40mAh/cm2的每单位面积容量，最好具有125-200mAh/cm的每单位长度容量，并且负极相对于正极的那部分容量至少是总负极容量的0.8倍。
在以上实施例中，最好负极具有约正极的一半，即30％至70％的厚度，并且具有比正极长度大的长度。长度比为1.01至1.40。
总的负极容量不受限制，然而最好为3000至11000mAh，长度最好是30至220cm，宽度最好是2.0至8.0cm，及厚度最好是0.05至0.45mm。
总的正极容量不受限制，然而最好为2000至8000mAh，每单位面积的容量最好是10至40mAh/cm2，每单位长度的容量最好是80至200mAh/cm，长度最好是40至200cm，宽度最好是2.0至8.0cm，及厚度最好是0.1至0.80mm。
用于负极的氢吸收合金可以是稀土金属型的氢吸收合金和Ti-Ni型、Ti-Mn型、Mg-Ti型、Ti-Zr型和Zr-Mn型的那些，最好是稀土金属型的。
根据本发明，能抑制低温下负极活性的降低，并且能提供在低温下大电流放电特性优良的碱性蓄电池。
下面详细描述本发明。实例不打算限制本发明的范围。
实例
实例1
通过在湿式球磨机中把具有MmNi3.5Co0.75Mn0.4Al0.3(Mm代表稀土元素的混合物)合金成分的氢吸收合金磨成约30μm的平均颗粒直径，来制备使用的负极材料。
把以上制备的氢吸收合金粉末在KOH水溶液中在80℃下用搅拌来处理，以从粉末表面除去可溶解成分。对于100份重量的生成氢吸收合金粉末，添加0.15份重量的羧甲基纤维素、0.3份重量的碳黑、0.8份重量的苯乙烯-丁二烯共聚物、及适量的水作为分散剂，以组成粉浆。
把粉浆涂敷到镀镍打孔铁板的两个表面上并且干燥。然后把板在不同压力下压制，以制备具有不同每单位面积负极容量的负极板。然后把这些板切成预定的尺寸。
使用的正极是常规的绕结镍正极，但把正极板的厚度选择成符合负极板的厚度，从而使正极板与负极板的长度比可以保持不变。电极的尺寸表示在表1中。作为隔离物使用的是一种磺化聚丙烯无纺布。
正负极板和隔离物组成螺旋缠绕的电极组件，从而使正极板和负极板的各自端部边缘分别向上和向下伸出，如图1中所示。然而把各自极板的端部边缘焊接到近似圆形的集电器上，以制备每个具有6500mAh容量的D尺寸镍金属氢化物蓄电池A、B、C和D。这些电池的每单位面积的负极容量不同，如表1中所示。
在图1中，号1表示一个镍正极，2表示一块氢吸收合金负极板，3表示一层隔离物，4表示一个电池壳体，5a表示一个近似圆形的正极集电器，及5b表示一个近似的圆形的负极集电器。
电池A至D用来试验其放电特性。在放电特性试验中，把电池在20℃下且在0.1CmA的电流值下充电到电池容量的150％，允许呆1小时，然后在0℃下且在1CmA的电流值下放电直到1.0V，并且检查放电容量与电池容量的比值。如此得到的结果表示在表1中。
表1
电池号     正极 每单位面积的正极容量(mAh/cm2)     负极 每单位面积的负极容量(mAh/cm2) 负极/正极厚度比(％) 放电比(％)
宽度(cm) 长度(cm) 厚度(mm) 宽度(cm) 长度(cm) 厚度(mm)
    A     5  183     0.17     7     5  200  0.098     10     58     75
    B     5   91     0.34     14     5  100  0.197     20     58     75
    C     5   45     0.68     28     5  50  0.394     40     58     70
    D     5   37     0.86     35     5  40  0.492     50     58     60
从表1中所示的结果显见，使用具有较低每单位面积负极容量的极板的电池A、B和C，与使用具有较高每单位面积负极容量的极板的电池D相比，在低温下显示出了改进的放电比。
就这些结果的原因而论，可以这样考虑，尽管负极侧的活性在低温下比正极侧降低的程度大，但负极的不利影响在电池A、B和C中比在电池D中小。
总而言之，电极的活性大大地受活性材料本身的活性、及诸如活性材料各成分之间的接触电阻和活性材料与载体之间的接触电阻之类的电极电阻的影响。由于氢吸收合金的平衡压力在低温下降低，那么其氢释放能力减小，并且活性材料的活性减小。而且，在低温下，诸如在活性材料成分之间的接触电阻之类的电极电阻也增大，并且结果是负极的活性与使用镉的常规电极相比大大地减小。
可以这样估计，当氢吸收合金负极每单位面积的容量增大时，除了上述的氢吸收合金的活性减小外，极板厚度的增大导致极板表面层的合金、与定位在厚度中心并用作集电器的打孔金属板之间的距离增大，并且诸如合金颗粒之间接触电阻之类的电极电阻的增大也变得不可忽略；因而，负极的活性大大地减小，引起放电特性的下降。
另一方面，可以这样考虑，在其中氢吸收合金负极每单位面积的容量是40mAh/cm2或更小的电池A、B和C中，与电池D相比，极板表面层合金与打孔金属集电器之间的距离较小，所以能抑制诸如合金颗粒之间接触电阻之类的电极电阻的增大；因此，负极的活性仅受氢吸收合金的活性的影响，结果放电特性受影响的程序较小。
由于在0℃下且在1CmA的电流值下放电容量为电池容量的70％，在实际中可以认为是可接收的而没有问题，所以负极每单位面积的合金容量希望不大于40mAh/cm2。
然而，减小负极板每单位面积的容量和增大极板的长度不可避免地伴随有从负极氢吸收合金释放氢的增大，并且结果是自放电的量增大，且自放电特性下降。在深入研究之后，已经发现，负极每单位面积的容量希望不小于10mAh/cm2，以便保证实际可接收的自放电特性。
根据上述结果，实际可用的负极每单位面积的容量希望为10-40mAh/cm2。
如上所述，使用具有较低每单位面积电极容量的负极板的本发明，目的在于减小电极电阻并由此改进低温下的反应特性，并且能特别有效地应用于把氢吸收合金用于负极的镍金属氢化物蓄电池。
实例2
对负极相对于正极的那部分容量的希望比值进行了研究，换句话说，对负极的“相对容量比值”进行了研究。以与实例1相同的方式制备使用的负极板。与负极板组合使用的正极板具有与实例1相同的材料，但通过改变烧结基片的尺寸(长度和宽度)而不改变其厚度来制备。通过使用这些极板，制备负极相对容量比值不同的电池E、F、G和H，如表2中所示。
负极的“相对容量比值”，作为负极相对于正极的那部分容量与其总容量的比值来计算。
以上制备的电池经受与实例1相同方式的放电特性试验。如此得到的结果表示在表2中。
表2
    电池号 负极的相对容量比值     放电比(％)
    E     0.5     60
    F     0.7     60
    G     0.8     70
    H     1.0     75
由表2显见，关于电池的放电特性随负极相对于正极的那部分容量的比值的增大而提高。这大概是因为如上所述的那样，由负极活性减小引起的低温放电特性的降低，比由正极活性减小引起的程度大。
因而，为了使电池中的氢吸收合金高效地参加充电和放电反应，重要的是升高负极相对于正极的那部分容量的比值。
认为在电池G和H中，由于负极部分相对于正极的容量比值较高，所以能够使电池中的氢吸收合金高效地参加充电和放电反应，并因而能改进低温放电特性。
由以上结果能判断出，低温放电特性，即在0℃下且在1CmA的电流值下的放电容量，在实际中是可接收的而没有问题，只要它不小于电池容量的70％。因而，负极相对于正极的那部分容量，按照其对总负极容量的比值来表示，最好是0.8或更大。
而且，当负极相对于正极的那部分的容量比值至少是总负极容量的0.8倍时，而且当负极每单位长度的容量是125-200mAh/cm，负极每单位面积的容量是10-40mAh/cm2时，能进一步抑制低温下负极活性的减小，以给出良好效果。
尽管在以上实例中用螺旋缠绕型镍金属氢化物蓄电池作为例子给出了描述，但对于相对板型的镍金属氢化物蓄电池，如矩形的，当采用本发明的电池结构时，也能得到类似的效果。
在本发明电池中使用的正极和负极可以是泡沫金属型的、烧结金属型的和涂敷金属型的任一种，并且能得到同样的良好效果，而与使用的极板类型无关。

Claims (8)

1．一种碱性蓄电池，包括：一个正极，包括一种金属氧化物作为主要构成材料；一个负极，包括一种氢吸收合金；一种隔离物；及一种碱性电解质；其中负极具有10-40mAh/cm2的每单位面积容量。
2．一种碱性蓄电池，包括：一个正极，包括一种金属氧化物作为主要构成材料；一个负极，包括一种氢吸收合金；一种隔离物；及一种碱性电解质；其中负极相对于正极的那部分容量至少是总负极容量的0.8倍。
3．根据权利要求1所述的碱性蓄电池，其中负极相对于正极的那部分容量是总负极容量的0.8-1.0倍。
4．根据权利要求3所述的碱性蓄电池，其中负极具有正极的约一半厚度。
5．根据权利要求3所述的碱性蓄电池，其中负极具有125-200mAh/cm的每单位长度容量。
6．根据权利要求3所述的碱性蓄电池，其中负极具有比正极长度大的长度。
7．根据权利要求3所述的碱性蓄电池，其中金属氧化物是氢氧化镍。
8．根据权利要求3所述的碱性蓄电池，其中氢吸收合金从由稀土金属型、Ti-Ni型、Ti-Mn型、Mg-Ti型、Ti-Zr型和Zr-Mn型的氢吸收合金组成的组中选择。
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GR01 Patent grant
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Assignee: Panasonic Energy (Wuxi) Co.,Ltd.

Assignor: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Contract record no.: 2012990000093

Denomination of invention: Positive negative electrode new type composite high specific energy bag type cadmium nickel alkaline battery

Granted publication date: 20030806

License type: Common License

Open date: 19990317

Record date: 20120309

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Granted publication date: 20030806

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