專利名稱：金屬氫化物/鎳電池中的鎳電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合電動汽車用動力金屬氫化物/鎳電池中的鎳電極。
背景技術(shù)：
近年來，汽車尾氣排放造成的嚴重空氣污染已開始受到各國政府的高度重視。使用混合電動汽車是解決這一問題的有效途徑，動力電池則是其中的關(guān)鍵技術(shù)。按照混合電動汽車的運行條件，要求動力電池能夠大電流放電，而且在30％-70％的荷電狀態(tài)下淺充淺放使用，還要有足夠長的充放電循環(huán)壽命。綜合考慮比能量、比功率、壽命、價格和環(huán)保等多種因素，金屬氫化物/鎳電池是現(xiàn)階段最適合的。這種電池采用氫氧化鎳電極(簡稱為鎳電極)作正極，金屬氫化物電極作負極，KOH水溶液為電解液。
電池充放電過程中，氫氧化鎳正極發(fā)生如下反應充電放電由于金屬氫化物/鎳電池一般設(shè)計為負極活性物質(zhì)過量，而且氫氧化鎳具有半導體性質(zhì)，導電性差，因此整個電池的性能在很大程度上受正極控制。為了提高正極活性物質(zhì)利用率和大電流放電性能，制備鎳電極時應當選用導電性能良好的基體并且在活性物質(zhì)中加入導電劑和添加劑。
目前多使用燒結(jié)鎳或泡沫鎳作為鎳電極的導電基體，前者使用化學或電化學浸漬法制備電極，后者則采用涂膏法制備電極。
化學(電化學)浸漬燒結(jié)鎳電極由于其基體具有發(fā)達的導電網(wǎng)絡(luò)，活性物質(zhì)利用率高，大電流放電性能良好。特別是采用電化學浸漬法制備電極對基體的腐蝕小，電極在以后的充放電循環(huán)中膨脹小，循環(huán)壽命長。不足之處是化學(電化學)浸漬燒結(jié)鎳電極的重量比容量低。
涂膏式泡沫鎳電極的基體孔隙率高，能夠填充較多的活性物質(zhì)，因此具有較高的重量比容量，但活性物質(zhì)利用率較低，大電流放電性能較差。而且這種電極經(jīng)過多次充放電循環(huán)后會發(fā)生嚴重的膨脹，導致電池失效，循環(huán)壽命遠不如電化學浸漬燒結(jié)鎳電極。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適合混合電動汽車用動力金屬氫化物/鎳電池的鎳電極，它具有較高重量比容量和較好大電流放電性能且循環(huán)壽命長的特點。
為了達到上述目的，本發(fā)明選擇纖維鎳作為導電基體，用電化學浸漬法制備鎳電極，且電極活性物質(zhì)氫氧化鎳中含有0.1～10wt％的氫氧化鈷。優(yōu)先組成為含有5WT％的氫氧化鈷。
鎳電極的電化學浸漬制備方法的工藝如下在0.1～3.0mol/l Ni(NO3)2的水溶液中加入10～50％體積比的乙醇，用稀硝酸或氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值在2.0～4.0。電化學浸漬的電流密度為50～100mA/cm2，操作溫度50～100℃，浸漬時間為1-2小時。
與一般方法不同的是，本發(fā)明使用的電化學浸漬液中還含有0.05～1.0mol/lCo(NO3)2，并且在電化學浸漬完成后，將纖維鎳電極浸泡在0.05～1.0mol/lCo(NO3)2的水溶液中進行處理。因此，本發(fā)明中的纖維鎳電極活性物質(zhì)含有0.1～10wt％的氫氧化鈷。
纖維鎳基體不僅具有發(fā)達的導電網(wǎng)絡(luò)，而且孔隙率高(＞85％)，與燒結(jié)鎳基體相比可以填充更多的活性物質(zhì)，因此可以同時滿足電極大電流放電和較高重量比容量的要求。而且，本發(fā)明的纖維鎳電極活性物質(zhì)含有0.1～10wt％的氫氧化鈷，能夠進一步增強電極的導電網(wǎng)絡(luò)從而使其具有較好的大電流放電性能。另外，由于電極采用電化學浸漬法制備，在以后的充放電循環(huán)中膨脹小，循環(huán)壽命長。本發(fā)明提及的纖維鎳基體為市售產(chǎn)品，而僅孔隙＞85％即可。
圖1兩種鎳電極的0.2C倍率放電曲線。
圖2兩種鎳電極的5C倍率放電曲線。
具體實施例方式
電化學浸漬纖維鎳電極制備方法的一個實施例如下以純鎳板做陽極，纖維鎳基體做陰極，電化學浸漬液為1.5mol/l Ni(NO3)2水溶液與乙醇的混合液(兩者體積比3∶2)，用稀硝酸或氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為3.0，在電流密度為60mA/cm2，操作溫度70℃的條件下電化學浸漬1.5小時。可以在電化學浸漬液中加入0.15mol/l Co(NO3)2，并且電化學浸漬完成后再將電極浸泡在0.15mol/l Co(NO3)2水溶液進行處理約10分鐘。
按照上述方法制備的纖維鎳電極，活性物質(zhì)中氫氧化鈷含量約為5WT％，其包括基體在內(nèi)的重量比容量達到220mAh/g，這與涂膏式泡沫鎳電極相當，而大大超過了化學(電化學)浸漬燒結(jié)鎳電極(一般為150mAh/g)。
將上述方法制備的電化學浸漬纖維鎳電極與儲氫合金負極裝配成“三明治”式的簡易電池，電解液為6mol/l KOH水溶液。電極化成后測試其0.2C和5C倍率放電性能。同時按常規(guī)方法制作電化學浸漬燒結(jié)鎳電極進行對比。
附圖1、2是這兩種電極的0.2C和5C率放電情況(參比電極為Hg/HgO/6mol/l KOH)。從圖中可以看出，電化學浸漬纖維鎳電極具有和電化學浸漬燒結(jié)鎳電極幾乎相同的0.2C率放電曲線，5C率的放電曲線也很近似。這說明根據(jù)本發(fā)明制作的電化學浸漬纖維鎳電極放電性能與電化學浸漬燒結(jié)鎳電極相當，大電流放電性能良好。
將上述方法制備的電化學浸漬纖維鎳電極與儲氫合金負極裝配成“三明治”式的簡易電池，電解液為6mol/l KOH水溶液。電極化成后進行0.2C倍率淺充放循環(huán)，每隔一定周次進行一次全充放電，測試電極的容量。同時按常規(guī)方法制作涂膏式泡沫鎳電極進行對比。試驗表明，當淺充放循環(huán)次數(shù)達到500次時，涂膏式泡沫鎳電極容量只有初期容量的75％，而電化學浸漬纖維鎳電極仍具有98％的初期容量。這說明按照本發(fā)明制作的電化學浸漬纖維鎳電極具有循環(huán)壽命長的優(yōu)點。
總之，本發(fā)明制作的電化學浸漬纖維鎳電極能夠同時具有較高的重量比容量和較好的大電流放電性能，循環(huán)壽命長，能夠滿足混合電動汽車用動力金屬氫化物/鎳電池的需要，具有廣闊的應用前景。
權(quán)利要求
1.一種金屬氫化物/鎳電池中的鎳電極，其特征在于電極導電基體為纖維鎳，電極活性物質(zhì)氫氧化鎳中含有0.1～10wt％的氫氧化鈷。
2.按權(quán)利要求1所述的金屬氫化物/鎳電池中的鎳電極，其特征在于電極活性物質(zhì)中含有5wt％的氫氧化鈷。
3.按權(quán)利要求1或2中任一項所述的鎳電極的制備方法，其特征在于，以純鎳板為陽極，纖維鎳基體作陰極，電化學浸漬液為0.1～3.0mol/l Ni(NO3)2的水溶液中與乙醇的混合液，用稀硝酸或氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值在2.0～4.0，電化學浸漬的電流密度為50～100mA/cm2，操作溫度50～100℃，其特征在于電化學浸漬液中還含有0.05～1.0mol/l Co(NO3)2，并且在電化學浸漬完成后，將纖維鎳電極浸泡在0.05～1.0mol/l Co(NO3)2的水溶液中進行處理。
4.按權(quán)利要求3所述的鎳電極的制備方法，其特征在于，電化學浸漬液中加入乙醇的體積為10-50％。
5.按權(quán)利要求3所述的鎳電極的制備方法，其特征在于，纖維鎳基體的孔隙率＞85％。
6.按權(quán)利要求3所述的鎳電極的制備方法，其特征在于，電化學浸漬完成后，再進行浸泡處理的時間為10分鐘。
7.按權(quán)利要求3所述的鎳電極的制備方法，其特征在于纖維鎳基體作陰極，電化學浸漬液為1.5mol/l Ni(NO3)2和0.15mol/l Co(NO3)2的水溶液與乙醇的混合液，用硝酸或氨水調(diào)節(jié)溶液PH值為3.0，電流密度為60mA/cm2，操作溫度為70℃，電浸漬時間為1.5小時。
8.按權(quán)利要求7所述的鎳電極的制備方法，其特征在于所述電化學浸漬混合液中硝酸鎳水溶液與乙醇的體積比為3∶2。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬氫化物/鎳電池的一種鎳電極——電化學浸漬纖維鎳電極的制備方法。其特征在于鎳電極的主要特征是用纖維鎳作電極的導電基體，用電化學浸漬法制備電極,并在活性物質(zhì)氫氧化鎳中加入0.1－10WT％氫氧化鈷。在制備方法中先電化學浸漬，然后再在0.05－1.0mol/l Co(NO
文檔編號H01M4/26GK1547275SQ20031010937
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者李曉峰, 夏保佳, 徐乃欣 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究