一种单袋式大功率铁镍二次电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种单袋式大功率铁镍二次电池，电池极板组由烧结镍正极板、袋式铁负极板及位于烧结镍正极板和袋式铁负极板之间的多层复合隔膜构成，袋式铁负极板由穿孔钢带和电极材料组成，其中电极材料由铁基活性材料、导电剂、添加剂和粘结剂组成，添加剂由氧化锌、硫化铋、氧化铈、硫化亚铜、氢氧化铜、氢氧化镱、氢氧化锆或氧化铋中的至少一种和Ni‑Al‑M三元层状氢氧化物中的至少一种组成，所述电解液为富液状态的含有添加剂的碱性溶液。本发明专利技术通过对负极配方的优化、电解液配方的优化及隔板的优化选择，改善了负极活性物质利用率，降低了电池内阻，尤为重要的是提高了负极充电效率和倍率性能，使得电池使用寿命得以延长。

【技术实现步骤摘要】
一种单袋式大功率铁镍二次电池及其制备方法
本专利技术属于铁镍二次电池
，具体涉及一种单袋式大功率铁镍二次电池及其制备方法。
技术介绍
众所周知，大容量袋式电池由于具有机械强度高的袋式正负极板及富余的电解液可以有效保证其循环稳定性。大容量镉镍袋式电池具有安全、耐用、循环寿命长等特点，目前已广泛用于铁路机车、矿山、装甲车辆、飞机发动机等作起动或应急电源等工业领域。但是镉镍二次电池由于镉电极的污染问题，发展受到极大限制。容量越大，安全方面隐患就会越多。制备大容量的锂离子电池用于轨道交通等重要社会领域将会存在较大的安全隐患。开发工业领域用的大容量绿色新型电池已经刻不容缓。传统袋式铁镍二次电池具有安全、绿色无污染及对环境友好等优点，曾在多个应用领域得到快速发展。然而，传统袋式电池所使用的正极材料通常是普通型非球型β型氢氧化镍，该材料振实密度较低，仅能达到1.5g/cm3，远低于球形氢氧化镍(2.1g/cm3)，这造成其正极体积比能量较低，同时β型氢氧化镍容易晶体膨胀粉化造成其循环寿命较差，因此袋式镍正极板通常要添加大量的氢氧化镍材料，容易造成资源的浪费。目前商业化的袋式铁负极板也存在克容量低，活性物质的克容量仅能达到约200mAh/g，造成其比能量偏低。此外，传统袋式铁镍二次电池采用的是较厚的绝缘塑料栅板，造成电池整体体积比能量较低、内阻偏大且放电倍率低。此外，该铁镍二次电池成本偏高、循环性能差，很难满足储能领域的要求。
技术实现思路
本专利技术针对目前铁镍二次电池存在的比能量低、倍率性能差、循环寿命短及成本高等问题而提供了一种单袋式大功率铁镍二次电池及其制备方法。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种单袋式大功率铁镍二次电池，包括电池壳、位于电池壳内的电池极板组和电解液及设置于电池壳上且与正负极相连的电极柱和排气阀，其特征在于：所述电池极板组由烧结镍正极板、袋式铁负极板及位于烧结镍正极板和袋式铁负极板之间的多层复合隔膜构成，所述袋式铁负极板由穿孔钢带和电极材料组成，其中电极材料由铁基活性材料、导电剂、添加剂和粘结剂组成，添加剂由氧化锌、硫化铋、氧化铈、硫化亚铜、氢氧化铜、氢氧化镱、氢氧化锆或氧化铋中的至少一种和Ni-Al-M三元层状氢氧化物中的至少一种组成，M为Zn、Cu、Zr或Ce，所述电解液为富液状态的含有添加剂的碱性溶液。进一步优选，所述袋式铁负极板的电极材料由65-96.9wt.铁基活性材料、1-20wt.％导电剂、2-10wt.％添加剂和0.1-5wt.％粘结剂组成，其中铁基活性材料为四氧化三铁、氧化亚铁、三氧化二铁或硫化亚铁中的至少一种，导电剂为导电碳材料、镍粉、锌粉、铜粉、铁粉或亚氧化钛中的至少两种，粘结剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、聚四氟乙烯或丁苯橡胶中的至少一种。进一步优选，所述添加剂中Ni-Al-M三元层状氢氧化物的分子式为[NixAl(1-x)My(OH)2]·[(Aa-)z·mH2O]，其中M为Zn、Cu、Zr或Ce，Aa-为OH-、Cl-、CO32-、NO3-、BO2-、MoO42-或WO42-中的至少一种，0.9≥x≥0.6，y>0，z>0，m>0。进一步优选，所述复合隔膜由磺化聚丙烯隔膜、氟化聚丙烯隔膜、接枝聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜、尼龙隔膜或丙纶针刺无纺布中的至少两种构成，其层数为2层以上。进一步优选，所述电解液是由KOH和LiOH组成的总摩尔浓度为4-7mol/L的混合溶液，该电解液中还包含0.5-5wt.％的钨酸钾或钨酸钠、0.5-5wt.％的偏硼酸钾或偏硼酸钠和0.1-2wt.％的氟化钾或氟化钠和0.1-5wt.％的硫化钠或硫化钾。本专利技术所述的单袋式大功率铁镍二次电池的制备方法，其特征在于所述袋式铁负极板的具体制备过程为：将铁基活性物质、导电剂、添加剂和粘结剂混合均匀，喷淋碱液或蒸馏水，进行和粉，造粒；通过包粉机将活性物质颗粒包入穿孔钢带极盒中，并进行拼条、压纹、裁切、焊接工序制备出袋式铁负极板；或者将铁基活性物质、导电剂、添加剂和粘结剂水溶液混合均匀制成负极浆料；采用单面上浆方式在穿孔镀镍钢带上有毛刺的一面涂覆一层浆料层，经50-150℃温度下烘干后备用；将烘干后的涂覆钢带每两片的涂覆固化层孔面相对包在一起做成条状电极板盒，再将多条电极板盒拼成一定宽度并接横向压横纹合成毛坯；将毛坯经包边筋和集流板点焊导电极耳即得袋式铁负极板。综上所述，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过负极配方的优化尤其是有益添加剂的选择，极大地改善了铁负极的充电效率和倍率性能，同时对其抗板结能力有较大改善。本专利技术通过研究发现，将镍铝三元层状氢氧化物[NixAl(1-x)My(OH)2]·[(Aa-)z·mH2O]用作添加剂，在其合适的镍铝摩尔比和适宜的阴离子掺杂下，控制合适的添加量，意外地发现能够同时获得良好的循环性能和倍率性能，该添加剂廉价易得且高效，对于制备高性能的铁负极是十分有益的。通过对电解液配方的改进，多种添加剂的联合使用，可以有效的改善电池的高低温和循环性能。采用该技术方案制备的袋式正极极活性物质利用率高、袋式铁负极容量性能和倍率性能优异，制备的单袋式铁镍电池内阻低、倍率性能好、循环寿命长等优点。附图说明图1是本专利技术中单袋式大功率铁镍二次电池的结构示意图。图中：1-电池壳，2-袋式铁负极板，3-复合隔膜，4-烧结镍正极板，5-电极柱，6-排气阀。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。如图1所示，一种单袋式大功率铁镍二次电池，包括电池壳1、位于电池壳1内的电池极板组和电解液及设置于电池壳1上且与正负极相连的电极柱5和排气阀6，所述电池极板组由烧结镍正极板4、袋式铁负极板2及位于烧结镍正极板4和袋式铁负极板2之间的多层复合隔膜2构成，所述袋式铁负极板2由穿孔钢带和电极材料组成，其中电极材料由铁基活性材料、导电剂、添加剂和粘结剂组成，添加剂由氧化锌、硫化铋、氧化铈、硫化亚铜、氢氧化铜、氢氧化镱、氢氧化锆或氧化铋中的至少一种和Ni-Al-M三元层状氢氧化物中的至少一种组成，M为Zn、Cu、Zr或Ce，所述电解液为富液状态的含有添加剂的碱性溶液，所述复合隔膜3由磺化聚丙烯隔膜、氟化聚丙烯隔膜、接枝聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜、尼龙隔膜或丙纶针刺无纺布中的至少两种构成，其层数为2层以上。实施例1镍铝铜三元层状氢氧化物(Ni/Al/Cu＝3:1:0.5，Cl-)的制备：首先将氯化镍、氯化铝和氯化铜以镍铝铜元素摩尔比为3:1:0.5的比例溶入煮沸过的去离子水中得到混合盐溶液，取一定量的氢氧化钠配置成一定浓度的复合碱溶液。在氮气保护下，将镍铜铝盐水溶液缓慢滴加到装有复合碱性溶液的反应釜中，反应温度为30℃，反应完成后，将混合溶液移入水热反应釜中在110℃条件下水热处理10h，经过离心，洗涤，干燥，研磨得到镍铝铜三元层状氢氧化物(Ni/Al/Cu＝3:1:0.5，Cl-)。烧结镍正极板的制备：采用传统的烧结工艺制备。袋式铁负极板的制备：将四氧化三铁粉62g、镍铝铜三元层状氢氧化物(Ni/Al/Cu＝3:1:0.5，Cl-)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单袋式大功率铁镍二次电池，包括电池壳、位于电池壳内的电池极板组和电解液及设置于电池壳上且与正负极相连的电极柱和排气阀，其特征在于：所述电池极板组由烧结镍正极板、袋式铁负极板及位于烧结镍正极板和袋式铁负极板之间的多层复合隔膜构成，所述袋式铁负极板由穿孔钢带和电极材料组成，其中电极材料由铁基活性材料、导电剂、添加剂和粘结剂组成，添加剂由氧化锌、硫化铋、氧化铈、硫化亚铜、氢氧化铜、氢氧化镱、氢氧化锆或氧化铋中的至少一种和Ni‑Al‑M三元层状氢氧化物中的至少一种组成，M为Zn、Cu、Zr或Ce，所述电解液为富液状态的含有添加剂的碱性溶液。

【技术特征摘要】
1.一种单袋式大功率铁镍二次电池，包括电池壳、位于电池壳内的电池极板组和电解液及设置于电池壳上且与正负极相连的电极柱和排气阀，其特征在于：所述电池极板组由烧结镍正极板、袋式铁负极板及位于烧结镍正极板和袋式铁负极板之间的多层复合隔膜构成，所述袋式铁负极板由穿孔钢带和电极材料组成，其中电极材料由铁基活性材料、导电剂、添加剂和粘结剂组成，添加剂由氧化锌、硫化铋、氧化铈、硫化亚铜、氢氧化铜、氢氧化镱、氢氧化锆或氧化铋中的至少一种和Ni-Al-M三元层状氢氧化物中的至少一种组成，M为Zn、Cu、Zr或Ce，所述电解液为富液状态的含有添加剂的碱性溶液。2.根据权利要求1所述的单袋式大功率铁镍二次电池，其特征在于：所述袋式铁负极板的电极材料由65-96.9wt.铁基活性材料、1-20wt.%导电剂、2-10wt.%添加剂和0.1-5wt.%粘结剂组成，其中铁基活性材料为四氧化三铁、氧化亚铁、三氧化二铁或硫化亚铁中的至少一种，导电剂为导电碳材料、镍粉、锌粉、铜粉、铁粉或亚氧化钛中的至少两种，粘结剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、聚四氟乙烯或丁苯橡胶中的至少一种。3.根据权利要求1所述的单袋式大功率铁镍二次电池，其特征在于：所述添加剂中Ni-Al-M三元层状氢氧化物的分子式为[NixAl（1-x）My(OH)2]·[(Aa-)z·mH2O]，其中M为Zn、Cu、Zr或Ce，Aa-为OH−、Cl-、CO32−、NO3−、BO2-、M...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官恩波，李林倩，吴呈轲，李晶，张慧洁，傅培滢，李全民，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41