新型拉浆式少维护碱性铁镍蓄电池装配结构研究①

阎登明,欧霜辉

(1.轻工业化学电源研究所，江苏 苏州 215006; 2.佛山市南海新力电池有限公司,广东 佛山 528200)

自从19世纪末爱迪生发明铁镍电池已经一百多年了，由于铁镍电池具有绿色环保，材料来源丰富，价格低廉，安全、可耐过充过放电，循环寿命长、可靠性高等独有的优点，在电力机车、煤矿井下、铁路信号等领域还在使用中。目前生产铁镍电池的正负极都采用孔率10%左右的穿孔镀镍钢带，生产的袋式开口铁镍电池充放电效率低，不能高倍率放电，自放电大，不能密封，生产工艺复杂限制了其使用和发展。

电极在循环充放电过程中，正极和负极都遵循膨胀-收缩机理。电极本身客观存在正常膨胀和异常膨胀，正常膨胀主要是活性物质密度的变化、溶解与沉积、基体的腐蚀与氧化、电极微孔中气泡的压力等；异常膨胀主要是电池内部活性物质的杂质、活性物质填充量过大、电极制成厚薄不均匀等等。袋式铁镍电池的负极的膨胀率约12.5%，正极膨胀率约15.8%。在制造过程中无论是正常膨胀，还是异常膨胀都是必须想办法有效加以控制的。在新型铁镍电池的材料、添加剂、设计和结构研究方面，近年来，中科院长春应化所、四川大学、哈工大、中南大学、南开大学、苏州科技大、河师大、佛山市南海新力电池有限公司、河南创力新能源科技股份有限公司、深圳市洋浦新丰科技有限公司等高校和公司进行了深入研究并取得了可喜进展。在新型铁镍电池的材料改进、添加剂选用、电池制造工艺、电池装配、等方面都取得了长足发展，一直存在的荷电保持能力不高、不能大电流充放电、低温性能不好等电性能都有极大的改善，拓展了新型铁镍电池在储能、基站、UPS、太阳能光伏配套的应用。本文针对塑料壳方形少维护铁镍电池在充放电过程中的涨肚和使用维护周期短的问题进行了深入研究。

1 电极极组排气通道的研究

镍铁电池的主要核心问题集中在铁负极一端，其中析气问题、自放电问题以及充电效率低主要由于铁的析氢过电位低，易与电解液中水发生反应所引起的。所以，一百多年来铁镍电池一直就是生产开口的袋式铁镍电池。

铁负极在碱性溶液中的电位是负的0.827V，而在碱性条件下，水的分解电位也就是水电解析出氢气的电位是负的0.803V，在碱性条件下，由于铁负极的电位比水分解电位更负，所以，铁镍电池在充电时很容易析出氢气，在负极大量氢气的产生，而没有正极的氧气来复合，产生的氢气必然对电极材料产生影响，造成电极活性物质的脱落，影响电池的循环寿命。近年来，大力进行的免(少)维护富液方形铁镍电池和贫液圆柱密封铁镍电池的研发，通过材料的制造的改进、添加剂的加入，极大的改善了降低了析氢速度，本文作者研发团队于2013年在国际上试制了第一只贫液条件下的圆柱密封铁镍电池。但是，富液条件下的方形大容量少维护铁镍电池，仍然存在铁镍电池在充电时，由于氢氧没有达到一种相对的平衡，而铁负极充电产生的氢气进一步影响电池循环寿命。

本文为进一步减少和降低氢气析出对电极的影响，以进一步提高铁镍电池的循环寿命，采取了隔膜与排气式隔板组合方式，来建立氢气直排式通道。排除了传统的在正负极之间用隔膜或隔板单一结构的正负极隔离物，也摒弃了所谓在隔膜与圆孔或菱形隔板界面破碎气泡的做法[1]，圆孔或菱形隔板孔率低，仅有40%～50%，影响电池快速充放电，也使氢气留存在电极表面，影响电极性能。直排气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、尼龙塑料等等。其厚度在0.1mm ～0.3mm， 排气式隔板的筋直径为0.5mm～2mm，隔板四边边宽2mm ～5mm，四边边厚度0.5mm ～2mm，与筋的直径匹配，厚度不超过筋直径。L与B尺寸与正负极板尺寸匹配；不像圆孔或菱形隔板的加入造成电极有效反应面积减少40%～50%[1]，排气式隔板的引入保证了原有铁负极的电极反应有效面积。

所需要的铁负极为拉浆式、涂膏式、压成式、袋式、烧结式、发泡式等生产工艺制造的铁负极板。

图1 排气式隔板结构Figure 1. Exhaust baffle structure

排气式隔板其结构如图1所示：排气式隔板的筋直径为0.5 mm ～2mm，隔板四边边宽2mm ～5mm，四边边厚度0.5mm～2mm，与筋的直径匹配，厚度不超过筋直径。L与B尺寸与正负极板尺寸匹配。

2 电池装配松紧度的控制及电池装配研究

本文研究采取了目前先进的正负极拉浆技术来生产新型免维护铁镍电池的正负极板。该拉浆技术在生产过程中，因为是湿法拉浆，而没有传统袋式电极制造的粉尘产生，消除了生产中环境的污染。为了有效控制正负电极的膨胀，延长电池的循环寿命，除了要保证生产的电极厚薄均匀、减少材料杂质等消除异常膨胀外，还要参照袋式铁镍电池的正负极膨胀率，通过极组头尾不锈钢板的定位控制，再加上不锈钢抽带式卡箍，保证电池的松紧度在70%左右。

本文研究的一种碱性铁镍蓄电池的装配制造方法，要解决的技术关键问题是分别通过控制极组和电池的松紧度，保证电极不掉粉，有充足的电解液量，制成成本低、工艺简单、强度高，来制造寿命长免维护或少维护的新型铁镍碱性蓄电池[3]。包括以下流程。

(1)准备需要装配的带304不锈钢集流板(带孔的)的正极和负极、隔膜、304不锈钢内装配螺钉、304不锈钢螺母、304不锈钢垫片等零配件、正负极镀镍专用极柱、304不锈钢板、304不锈钢抽带式卡箍、壳、盖、正负极极柱塑料垫圈、镀镍不锈钢垫片、镀镍螺母等；

(2)按要求用隔膜从极板底部折叠分别包正、负极，极板另三边非折叠隔膜超过极板边沿3mm～6mm；

(3)用热和封口机将极板另三边非折叠隔膜沿极板边缘热封；

(4)在专用装配设备上分别放好正负极304不锈钢内装配螺钉，304不锈钢垫片放入正负极304不锈钢内装配螺钉，把包好隔膜的极板按照正级-排气塑料隔板-负极交替放入正负极304不锈钢内装配螺钉，极板放入一半数量后在正负极304不锈钢内装配螺钉上分别放入正负极镀镍专用极柱，然后，接着将剩余的一半包好隔膜的极板按照正极-排气塑料隔板-负极交替放入正负极304不锈钢内装配螺钉，极板装配完后，304不锈钢垫片放入正负极304不锈钢内装配螺钉，最后，用304不锈钢螺母分别紧固电池极组；

(5)把304不锈钢板放置于极组头尾两片的包好隔膜的负极板上；

(6)用2条～3条304不锈钢抽带式卡箍卡住极组；

(7)将极组放入电池塑料壳：

(8)按顺序按极性将盖、正负极极柱塑料垫圈、镀镍不锈钢垫片放入正负极镀镍专用极柱，拧紧镀镍螺母；

(9)电池装配完毕，壳盖封口，加入电解液，经化成，制成成品。

本研究所用的零配件具体的要求十分重要，电池塑料壳内的304不锈钢的集流板、正负极304不锈钢内装配螺钉、304不锈钢垫片、304不锈钢螺母是不镀镍的，而壳子外的正负极镀镍专用极柱是镀镍的。304不锈钢抽带式卡箍是抽带式的。以保证电池极组在循环过程中随电极的正常膨胀而放松。与正负极极板尺寸相同的304不锈钢板放置于极组头尾两片的包好隔膜的负极板上。304不锈钢板的厚度是0.3mm～1.5mm，放置于极组头尾两片的包好隔膜的负极板上。

用2条～3条304不锈钢抽带式卡箍卡住极组；

依据电池型号规格的不同，304不锈钢抽带式卡箍长200mm～1000mm，宽度3mm～30mm，厚度0.1mm～1.5mm，304不锈钢抽带式卡箍卡住极组的松紧度为85%～90%，

%=(正极厚度X片数+负极厚度X片数+隔膜厚度X片数+两片钢板厚度)÷ 304不锈钢抽带式卡箍厚度

将极组放入电池壳，电池的松紧度为68%～80%

电池松紧度%=极组厚度÷电池塑料壳内厚度

3 研究改进前后对比

经过在正负极电极之间加上直排气塑料隔板，控制电极极组和电池装配的松紧度，使电池的电性能有了很大提高。改进后，方形塑料壳铁镍电池在充放电过程中没有出现涨肚，壳壁凸出等问题，相同体积的铁镍电池拉浆式的比袋式的重量比能量从原来20wh/kg提高到35wh/kg～40wh/kg，体积比能量从原来的35wh/L～40wh/L提高到70wh/L～80wh/L电池的维护保养周期从原来的3～5个月延长到1年～2年。电池的其他电性能荷电保持能力、大电流充放电、低温性能等都有所改善。

4 结语

通过研究这种少维护的方型铁镍电池，在正负极之间放置气体直排式的塑料隔板，在极组的头尾两端放置与负极尺寸相同的304不锈钢板和用304抽带式卡箍固定极组，来控制极组和电池的松紧度，保证电极不掉粉，而且有充足的电解液量，延长了电池循环寿命达到2000次以上。因此，在尽力不断提高改进重量比能量和体积比能量的前提下，充分发挥该体系电池的安全、绿色环保、长寿命、低成本等的突出特点。对于固定放置电池组和电池模块的场合，使用场合对电池体积和重量要求不高的使用领域，比如在储能、UPS、基站、电站电厂、光伏太阳能的配套使用等是有充分的优势，必将拓展新型少维护铁镍电池的应用范围。

[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] 阎登明.压成式碱性铁-镍蓄电池TN(Y)-10试制报告[Z].1984年4月,内部资料.