具有提高循環壽命和電荷保持性能的金屬氫化物電池制造技術

一種可再充電的貯氫電池，包含有負極、正極和保持有電解液的尼龍或可濕的聚丙烯構成的隔膜，負極的成分為：（Ｏｖｏｎｉｃ基本合金）↓［ａ］Ｍ↓［ｂ］式中，Ｏｖｏｎｉｃ基本合金是指含０．１－６０％（原子）Ｔｉ、０．１－２５％（原子）Ｚｒ、０１－６０％（原子）Ｖ、０．１－５７％（原子）Ｎｉ以及０．１－５６％（原子）Ｃｒ的ＯｖＯｎｉｃ合金，ａ是至少７０％（原子），Ｍ表示選自Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｗ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｎｂ、Ｓｉ和Ｈｆ中的至少一種改性元素；ｂ是０－３０％（原子）；ｂ＞０；并且ａ＋ｂ＝１００％（原子）。（*該技術在2013年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及具有提高循環壽命和電荷保持性能的金屬氫化物電池，更具體地說，本專利技術涉及旨在提高循環壽命和電荷保持性能的、使負極合金與隔膜最優化的條件選配。在可再充電的電化學電池中，重量和輕便性是重要的考慮因素。此外，可再充電的電池具有長的工作壽命而不需要定期維修也是十分有益的。可充電電池可以用來取代一次性的AA、C和D電池，直接用于許多消費品裝置中，例如在計算器、便攜式收音機和閃光燈中使用。它們通常被加工成形，制成一種適合于設計作為構成特定裝置的一個組成部分的電源密封件。可再充電電池還可以加工成形為較大的電池，用于工業、航空、航天以及電動車輛等。最理想的可再充電電池是可以作為“安裝好了就不必再管它”的電源工作的電池。除了定期充電之外，可再充電電池應當能一直工作下去而不需要維護，并且對于由它所供電的裝置的壽命應不構成限制因素。有兩種基本類型的鎳金屬氫化物可再充電的貯氫材料(“Ni-MH材料”)，即AB2型和AB5型材料。在美國專利No.5096667(Fetcenko等)中對這兩種類型的材料有詳細的闡述，該文獻可供參考。AB2型材循其發展過程，人們常常使用“Ovonic合金”這一術語來指所有的AB2型材料。在授予Sapru，Hong，Fetcenko和Venkatesan的美國專利No.4551400(以下簡稱′400專利)中描述了Ovonic合金，該專利題為“Hydrogen Storage Materials and Methods of Sizing and Preparing theSame for Electrochemical Applications”，本文中引證該專利僅供參考。本文中所稱的“Ovonic基本合金”是指具有含0.1-60%(原子)Ti、0.1-25%(原子)Zr、0.1-60%(原子)V、0.1-57%(原子)Ni和0.1-56%(原子)Cr的基本合金或顆粒相的AB2合金(上述術語與′400專利中所描述的相同)。通常，Ni-MH貯氫電池或電池組(總稱為“Ni-MH電池”)采用能可逆地由電化學貯氫的負極。Ni-MH電池一般使用氫氧化鎳材料的正極。負極與正極互相隔開地設置在堿性電解液中。在Ni-MH電池上施加電壓時，負極的Ni-MH材料通過以電化學方式吸收氫并放出氫氧離子而被充電這一負極反應是可逆的。在放電時，貯存的氫被釋放出來，形成水分子并放出一個電子。在二次電池的正極上發生的反應也是可逆的，例如，在Ni-MH電池中的氫氧化鎳正極上的反應是在Ni-MH電池的兩個電極之間通常設有一個隔膜。電解液一般是堿性電解液，例如是20-45%(重量)的氫氧化鉀。也可以存在有限量的氫氧化鋰。與常規的可再充電的電池和電池組相比，Ni-MH電池具有一個突出的優點，即Ni-MH電池與具有鉛或鎘負極的電池相比，具有明顯高于后者的比蓄電量(以安培·小時/單位質量和安培·小時/單位體積為單位計算)，因此，Ni-MH電池比常規的電池能獲得更高的能量密度(以瓦·小時/單位質量或瓦·小時/單位體積為單位計算)，從而使得Ni-MH電池特別適合于許多商業用途。通常，可再充電電池或者是排氣電池或者是密封電池。在正常的使用正常過程中，排氣電池能夠排出氣體，卸去在正常使用狀態下產生的過高的壓力，與此相反，密封電池一般不能夠經常性地排出氣體。由于存在這一差別，它們的排氣機構和電極幾何形狀有關的電池外殼內的電解液的數量都有明顯的差異。排氣電池是以“淹沒狀態”進行工作，所謂“淹沒狀態”指的是，電極完全浸沒在電解液中，被電解液所覆蓋和浸濕，因此，這種電池有時也稱作“淹沒電池”。排氣電池一般是針對約25磅/平方英寸的正常工作壓力而設計的，超過這一數值后，過高的壓力會通過排氣機構卸掉。現有技術的排氣的、圓柱形的、可再充電電池的一個變種是一步升高時，刀口便將膜片戳穿，使過量的氣體逸出。這種破壞型的排氣機構，對于不同批次的電池以及在同一批內的不同電池都是不可預測的。此外，這種破壞性的排氣方式只適用于一次過壓的情況，一旦膜片被戳穿，就無法維持正常的電池工作壓力。與上述情況相反，密封電池是設計在“饑餓”的電解液配給情況下工作，也就是說以最低的電解液配給量進行工作。密封電池的外殼一般是金屬制成的，設計用于在高達約100磅/平方英寸絕對壓力或更高壓力下工作。這種電池由于是密封的，因此不需要定期維修。一般情況下，密封的可再充電電池使用一個圓筒形鍍鎳的鋼制殼體作為負極端，利用電池蓋作為正極端，用隔膜將作為正極的蓋與作為負極的電池外殼隔開，電極被繞制形成“膠體卷”，兩個極性相反的電極由一個隔膜(例如多孔的、紡織的或無紡的尼龍或聚丙烯隔膜)分隔開。每個電極上伸出一個突起的接頭，構成一個電流通路，在充、放電過程中，電流通過這一通路分布到電極的整個表面上。每一電極上的接頭與各自的端子電連接。在密封電池中，鎳基的正極的放電能力受電解液數量、活性物質數量及充電效率等因素所限制，Ni-MH負極的蓄電量由所使用的活性物質的數量限定，因為它的充電效率幾乎是100%，接近于達到完全充電狀態。為了使Ni-MH電極保持最佳工作能力，必須采取預防措施，以防止在達到完全充電之前發生氧的再結合或放出氫。這通常是通過提供過量的負極物質來實現的。但是，在設計和制造密的電源，在這些場合優先選擇使用密封的可再充電的Ni-MH電化學電池。密封電池的工作壽命，即充、放電循環所能達到的次數，決定了這些電池可以用于哪些用途。能夠經受較多循環次數的電池，能夠適合的用途也較多。因此，壽命較長的電池更受歡迎。密封電池的壽命與構成電池的各元件的壽命緊密相關，其中，負極材料最為重要，長期以來，它一直被認為是限制電池壽命的因素。因此，為了獲得長的工作壽命，科研人員一直致力于生產能夠經受反復的充、放電循環而不會破壞的電極合金材料，例如參見美國專利NO.4728586(“EnhancedChargeRetentionElectrochemicalHydrogenStorageAlloysandanEnhancedChargeRetentionElectrochemicalCell”)，引證該文獻僅供參考。但是，目前人們已研制出的Ovonic合金已經達到了這樣的一種程度，即它們不再是限制可再充電電池壽命的唯一因素。本專利技術人發現，在使用本文所述的Ovonic基本合金的密封的Ni-MH電池中，電池失效有時是由于與隔膜有關的問題造成的，例如隔膜中電解液的損失以及隔膜降解。因此，由于本文中所述的Ovonic基本合金負極材料所取得的進展，隔膜看來又成為另外一個限制本專利技術的Ovonic基本合金電池的循環壽命和充電保持的因素。在文獻中記載了尼龍隔膜以各種構形用于各種不同的電池中，例如，美國專利No.3147150(授予Yardney的Carl等)中描述了一種使用由涂覆在織物或樹脂纖維上的尼龍膜構成的隔膜制成的電池，個無紡的聚酰胺隔膜，該隔膜是由用非離子型表面活性劑處理過的3-10微米的連續纖維制成的。通常，在NiCd可再充電電池中所含有的尼龍隔膜被用來在所有類型的Ni-MH電池中作為標準的隔膜。這種尼龍隔膜被設計用來防止NiCd電池內在充、放電循環過程中由于電極從金屬變成金屬氫氧化物時在電極之間形成枝晶而本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種可再充電的貯氫電池，其特征在于包含有負極、正極和隔膜，負極的成分為：（Ｏｖｏｎｉｃ基本合金）↓［ａ］Ｍ↓［ｂ］式中Ｏｖｏｎｉｃ基本合金表示含０．１－６０％（原子）Ｔｉ、０．１－２５％（原子）Ｚｒ、０．１－６０％（原子）Ｖ、０．１－５７％（原子）Ｎｉ和０．１－５６％（原子）Ｃｒ的Ｏｖｏｎｉｃ合金；ａ是至少７０％（原子）；Ｍ表示選自Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｗ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｎｂ、Ｓｉ和Ｈｆ中的至少一種改性元素；ｂ是０－３０％（原子）；ｂ＞０；并且ａ＋ｂ＝１００％（原子）；所述的隔膜選自保持有電解液的尼龍隔膜以及抗拒與Ｈ↓［２］氣和堿性電解液反應的可濕的聚丙烯隔膜。

【技術特征摘要】
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：MA費特申科，SR奧夫辛斯基，
申請(專利權)人：雙向電池公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]