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(《報廢電子電氣設備指令》WEEE與《關(guān)于在電子電氣設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(jìn)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)境出現的性能問(wèn)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(guò)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(wèn)題，軍方急需的高容量移動(dòng)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(dòng)電源，具有很強的戰略意義、科學(xué)價(jià)值及經(jīng)濟價(jià)值。另外，鎳氫動(dòng)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(dòng)力車(chē)上也有重要應用價(jià)值前景。

充電電池在充、放電過(guò)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(lái)說(shuō)，改善和優(yōu)化正、負極材料是一種比較好的方法，除少量專(zhuān)利披露對貯氫合金進(jìn)行改進(jìn)，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(shí)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(shí)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(shí)采用共沉淀?yè)诫s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，一是改善球鎳內部結構，防止產(chǎn)生γ-NiOOH，希望β- NiOOH能與β- Ni(OH)2充放電時(shí)轉換容易(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(guò)程中，一邊溶解于堿性水溶液中，一邊又再析出，并且發(fā)生急劇的結構變化，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、充放電后出現表面層溶解和脫落的現象。

梯度功能材料(Functionary Gradient Materials, FGM)是一種顯微組分、結構、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(diǎn)。在電子部件、人造牙、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機、制動(dòng)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(shí)，通過(guò)機械混合法添加周期表中ⅡA、ⅢB、ⅣB、ⅦB、ⅧB(niǎo)、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(zhù)名電池制造公司在華申請授權的專(zhuān)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(jiàn)下表：