新型拉漿式少維護堿性鐵鎳蓄電池裝配結構研究①

閻登明,歐霜輝

(1.輕工業化學電源研究所，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世紀末愛迪生發明鐵鎳電池已經一百多年了，由于鐵鎳電池具有綠色環保，材料來源豐富，價格低廉，安全、可耐過充過放電，循環壽命長、可靠性高等獨有的優點，在電力機車、煤礦井下、鐵路信號等領域還在使用中。目前生產鐵鎳電池的正負極都采用孔率10%左右的穿孔鍍鎳鋼帶，生產的袋式開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，生產工藝復雜限制了其使用和發展。

電極在循環充放電過程中，正極和負極都遵循膨脹-收縮機理。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部活性物質的雜質、活性物質填充量過大、電極制成厚薄不均勻等等。袋式鐵鎳電池的負極的膨脹率約12.5%，正極膨脹率約15.8%。在制造過程中無論是正常膨脹，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、設計和結構研究方面，近年來，中科院長春應化所、四川大學、哈工大、中南大學、南開大學、蘇州科技大、河師大、佛山市南海新力電池有限公司、河南創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行了深入研究并取得了可喜進展。在新型鐵鎳電池的材料改進、添加劑選用、電池制造工藝、電池裝配、等方面都取得了長足發展，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能、基站、UPS、太陽能光伏配套的應用。本文針對塑料殼方形少維護鐵鎳電池在充放電過程中的漲肚和使用維護周期短的問題進行了深入研究。

1 電極極組排氣通道的研究

鎳鐵電池的主要核心問題集中在鐵負極一端，其中析氣問題、自放電問題以及充電效率低主要由于鐵的析氫過電位低，易與電解液中水發生反應所引起的。所以，一百多年來鐵鎳電池一直就是生產開口的袋式鐵鎳電池。

鐵負極在堿性溶液中的電位是負的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的0.803V，在堿性條件下，由于鐵負極的電位比水分解電位更負，所以，鐵鎳電池在充電時很容易析出氫氣，在負極大量氫氣的產生，而沒有正極的氧氣來復合，產生的氫氣必然對電極材料產生影響，造成電極活性物質的脫落，影響電池的循環壽命。近年來，大力進行的免(少)維護富液方形鐵鎳電池和貧液圓柱密封鐵鎳電池的研發，通過材料的制造的改進、添加劑的加入，極大的改善了降低了析氫速度，本文作者研發團隊于2013年在國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鐵鎳電池，仍然存在鐵鎳電池在充電時，由于氫氧沒有達到一種相對的平衡，而鐵負極充電產生的氫氣進一步影響電池循環壽命。

本文為進一步減少和降低氫氣析出對電極的影響，以進一步提高鐵鎳電池的循環壽命，采取了隔膜與排氣式隔板組合方式，來建立氫氣直排式通道。排除了傳統的在正負極之間用隔膜或隔板單一結構的正負極隔離物，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，厚度不超過筋直徑。L與B尺寸與正負極板尺寸匹配；不像圓孔或菱形隔板的加入造成電極有效反應面積減少40%～50%[1]，排氣式隔板的引入保證了原有鐵負極的電極反應有效面積。

所需要的鐵負極為拉漿式、涂膏式、壓成式、袋式、燒結式、發泡式等生產工藝制造的鐵負極板。

圖1 排氣式隔板結構Figure 1. Exhaust baffle structure

排氣式隔板其結構如圖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，厚度不超過筋直徑。L與B尺寸與正負極板尺寸匹配。

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的正負極拉漿技術來生產新型免維護鐵鎳電池的正負極板。該拉漿技術在生產過程中，因為是濕法拉漿，而沒有傳統袋式電極制造的粉塵產生，消除了生產中環境的污染。為了有效控制正負電極的膨脹，延長電池的循環壽命，除了要保證生產的電極厚薄均勻、減少材料雜質等消除異常膨脹外，還要參照袋式鐵鎳電池的正負極膨脹率，通過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，要解決的技術關鍵問題是分別通過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、工藝簡單、強度高，來制造壽命長免維護或少維護的新型鐵鎳堿性蓄電池[3]。包括以下流程。

(1)準備需要裝配的帶304不銹鋼集流板(帶孔的)的正極和負極、隔膜、304不銹鋼內裝配螺釘、304不銹鋼螺母、304不銹鋼墊片等零配件、正負極鍍鎳專用極柱、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、負極，極板另三邊非折疊隔膜超過極板邊沿3mm～6mm；

(3)用熱和封口機將極板另三邊非折疊隔膜沿極板邊緣熱封；

(4)在專用裝配設備上分別放好正負極304不銹鋼內裝配螺釘，304不銹鋼墊片放入正負極304不銹鋼內裝配螺釘，把包好隔膜的極板按照正級-排氣塑料隔板-負極交替放入正負極304不銹鋼內裝配螺釘，極板放入一半數量后在正負極304不銹鋼內裝配螺釘上分別放入正負極鍍鎳專用極柱，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-負極交替放入正負極304不銹鋼內裝配螺釘，極板裝配完后，304不銹鋼墊片放入正負極304不銹鋼內裝配螺釘，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、正負極極柱塑料墊圈、鍍鎳不銹鋼墊片放入正負極鍍鎳專用極柱，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，電池塑料殼內的304不銹鋼的集流板、正負極304不銹鋼內裝配螺釘、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過程中隨電極的正常膨脹而放松。與正負極極板尺寸相同的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極板上。

用2條～3條304不銹鋼抽帶式卡箍卡住極組；

依據電池型號規格的不同，304不銹鋼抽帶式卡箍長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+負極厚度X片數+隔膜厚度X片數+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÷電池塑料殼內厚度

3 研究改進前后對比

經過在正負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。改進后，方形塑料殼鐵鎳電池在充放電過程中沒有出現漲肚，殼壁凸出等問題，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20wh/kg提高到35wh/kg～40wh/kg，體積比能量從原來的35wh/L～40wh/L提高到70wh/L～80wh/L電池的維護保養周期從原來的3～5個月延長到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 結語

通過研究這種少維護的方型鐵鎳電池，在正負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極尺寸相同的304不銹鋼板和用304抽帶式卡箍固定極組，來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，延長了電池循環壽命達到2000次以上。因此，在盡力不斷提高改進重量比能量和體積比能量的前提下，充分發揮該體系電池的安全、綠色環保、長壽命、低成本等的突出特點。對于固定放置電池組和電池模塊的場合，使用場合對電池體積和重量要求不高的使用領域，比如在儲能、UPS、基站、電站電廠、光伏太陽能的配套使用等是有充分的優勢，必將拓展新型少維護鐵鎳電池的應用范圍。

[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試制報告[Z].1984年4月,內部資料.