高溫鎳氫電池關(guān)鍵技術(shù)

1、概述

鎳鎘(Ni-Cd)電池由于含有劇毒元素鎘，一直是環(huán)境保護工作者討伐的電池對象之一。歐盟等組織不斷出臺政策和指令(《報廢電子電氣設(shè)備指令》WEEE與《關(guān)于在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令》RoHS)，更加速了鎳鎘電池被其他電池替代的進程。鎳氫(Ni-HM)電池是最有希望替代，如何解決鎳氫電池在高溫環(huán)境出現(xiàn)的性能問題，是其能否在更大領(lǐng)域應用的關(guān)鍵。鎳氫電池在充放電過程、使用環(huán)境中，必然要牽涉到溫度對電池性能和使用壽命的問題，軍方急需的高容量移動電源、航空航天、航海、石油、煤炭、地質(zhì)勘探及作業(yè)、冰上及登山體育項目用二次移動電源，具有很強的戰(zhàn)略意義、科學價值及經(jīng)濟價值。另外，鎳氫動力電池在燃料電池+鎳氫電池(電電混合)及汽油+鎳氫電池(油電混合)等的混合動力車上也有重要應用價值前景。

充電電池在充、放電過程，環(huán)境溫度的變化等，對電池性能產(chǎn)生影響，雖然所有電池材料都對電池性能產(chǎn)生一定影響，然而，就高溫電池來說，改善和優(yōu)化正、負極材料是一種比較好的方法，除少量專利披露對貯氫合金進行改進，主要的技術(shù)還是在于正極材料，包括對電池正極材料配方時采用機械混合法添加稀土、稀有金屬、堿土元素等，如Mg、Ca、Sr、Sc、Y、La、鑭系元素、Ti、Zr、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Cd、B、Al、Ga、In、Si、P、As、Sb、Bi其中一種或多種氧化物、氫氧化物。由于正極配料時幾種不同性質(zhì)的物料很難達到完全均勻，所以考慮在制造球形氫氧化鎳時采用共沉淀摻雜上述元素，也有考慮在球鎳上包覆一層上述元素的氫氧化物。

盡管上述幾種方法對于改善高溫電池性能起到一定的作用，仍然存在不少欠缺和不足，解決電池性能降低的主要方法，一是改善球鎳內(nèi)部結(jié)構(gòu)，防止產(chǎn)生γ-NiOOH，希望β- NiOOH能與β- Ni(OH)2充放電時轉(zhuǎn)換容易(γ-NiOOH層間距為0.69nm，β-Ni(OH)2晶層間距約為0.46nm，β-NiOOH晶層間距約為0.48nm，γ-NiOOH的存在造成電極膨脹使活性材料損失，導電性降低，嚴重減少了電極的循環(huán)壽命和效率);另外方法就是添加導電材料提高導電性能，加入CoO或Co(OH)2。但是，作為原料粉末的氫氧化鈷在充放電過程中，一邊溶解于堿性水溶液中，一邊又再析出，并且發(fā)生急劇的結(jié)構(gòu)變化，有部分鈷化合物游離，造成鈷量變化導致電池性能降低，雖然包覆球鎳對于上述現(xiàn)象有了一定的改善，但是仍然存在包覆不夠牢固、充放電后出現(xiàn)表面層溶解和脫落的現(xiàn)象。

梯度功能材料(Functionary Gradient Materials, FGM)是一種顯微組分、結(jié)構(gòu)、性能階梯變化的高性能材料。具有較高機械強度、抗熱沖擊、耐高溫性能等特點。在電子部件、人造牙、汽車發(fā)動機、制動器、化工部件等有廣泛的應用。作者認為將梯度材料的原理與球鎳制造相結(jié)合將成為高溫電池正極材料發(fā)展趨勢。

2、高溫鎳氫電池關(guān)鍵技術(shù)

2.1、正極材料的改良

2.1.1、正極材料機械混合法

在電池配料時，通過機械混合法添加周期表中ⅡA、ⅢB、ⅣB、ⅦB、ⅧB、ⅡB主族元素和3、4、5周期的元素、氧化物或氫氧化物，能較好地提高或改善鎳氫高溫性能。世界著名電池制造公司在華申請授權(quán)的專利中多有介紹，如日本松下、三洋;中國比亞迪;德國H.C.施塔克等公司。詳細見下表：