毛刺鍍鎳鋼帶在鎳氫動力電池中的應用

蘇世寧，劉開宇

（1.中南大學化學化工學院，湖南長沙 410008；2.福建衛(wèi)東新能源股份有限公司，福建龍巖 364000）

鎳氫電池是繼鉛蓄電池和鎘鎳電池之后發(fā)展起來的第三代實用的可充電電池，因具有比能量較高、能快速充放電、耐過充和過放能力優(yōu)良、綠色環(huán)保等優(yōu)點受到廣泛關注[1-4]，目前其發(fā)展方向是高能量型和高功率型并在電動汽車的應用方面取得了一定成就[5]。但鎳氫電池的成本偏高，制約了鎳氫電池的發(fā)展，尤其是鎳在鎳氫電池正、負極中質(zhì)量占比分別高達60%，50%以上。近年在鋰離子電池快速發(fā)展的情況下，鎳氫電池的市場有所降低，但在有些領域依然有著廣泛的應用，尤其是在高低溫、雙向高功率等應用市場有著明顯的優(yōu)勢。本文從降低成本的角度，研究了用毛刺鋼帶替換泡沫鎳作為鎳氫動力電池負極基體材料時的電池性能。

1 實驗

1.1 電池制備

將經(jīng)過堿處理的貯氫合金（MlNi4.00Co0.45Mn0.38Al0.3）粉末與定量導電劑和黏結劑充分混合制備漿料，再將漿料均勻涂覆進入毛刺鍍鎳鋼帶或泡沫鎳，在80℃下干燥后經(jīng)輥壓制得電極帶，再將電極帶裁切成寬85mm、高86mm的極片，并焊接上極耳。同時以泡沫鎳為基體材料制備出貯氫合金電極作為對比。

采用貯氫合金電極29片、氫氧化鎳電極28片，交替疊好；按照電池生產(chǎn)工藝經(jīng)入殼、焊接、封口、注液等工序制備出40Ah方形鎳氫動力電池，電解液為：含15g/L LiOH的 6mol/L的KOH溶液。

1.2 電池性能測試

采用恒電流法和Arbin-BT2000-5V200A8（美國）測試電池的充放電性能。

常溫80%SOC充電性能測試，分別采用1、3、5C充電電池額定容量的80%和0.5C放電至電池電壓為1.0V；常溫放電性能測試采用0.5C充電電池額定容量的80%和分別采用1、3C放電1.0V和5、8、10C放電至0.7V；高溫80%SOC充電性能測試分別采用1、2、3C充電電池額定容量的80%和0.5C放電至電池電壓為1.0V。低溫放電性能測試采用0.5C充電電池額定容量的80%和分別采用1、2C放電至0.7V。

循環(huán)壽命采用在45℃下3C充電80%額定容量（120Ah）和1C放電至0.9V來測試，每25個循環(huán)為一個周期，每周期的最后一次采用1C（40Ah）完全充放電測試電池的容量，當電池容量低于額定容量的90%（36Ah）時循環(huán)壽命測試即終止。

2 結果與討論

2.1 常溫充電性能

表1為所制備40Ah鎳氫方形動力電池放電容量及充電效率。由表1可知，不同基體材料所制備電池常溫下均具有較高的充電效率，但以毛刺沖孔鍍鎳鋼帶為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池，在不同充電倍率下的充電電壓平臺均要略高于以泡沫鎳為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池，充電效率也略低，且隨著倍率的增加，差異略有增加，這是因為泡沫鎳基體材料的導電性高于毛刺沖孔鍍鎳鋼帶。

表1 電池常溫80%SOC的充電效率和放電容量

2.2 常溫放電性能

表2為所制備40Ah鎳氫方形電池常溫不同放電倍率下的放電容量及放電效率。由表2可知，不同基體材料制備的電池的倍率放電性能都比較好，從5C放電倍率開始截止電壓為0.7V，所以5C放電倍率下的放電效率高于3C，但以毛刺沖孔鍍鎳鋼帶為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池，在不同放電倍率下的放電電壓平臺均要略低于以泡沫鎳為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池，放電效率也略低，這是泡沫鎳基體材料的導電性要高于毛刺沖孔鍍鎳鋼帶所導致。

表2 常溫下80%SOC的放電效率放電容量

2.3 高溫充電性能

表3為所制備40Ah鎳氫方形電池高溫不同充電倍率下的放電容量及充電效率。由表3可知，不同基體材料所制備電池高溫下依然都具有較高的充電效率，但以毛刺沖孔鍍鎳鋼帶為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池，在不同充電倍率下的充電電壓平臺均要略高于以泡沫鎳為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池，充電效率也略低，且隨著倍率的增加，差異略有增加，這與常溫充電性能測試結果一致。

表3 電池高溫80%SOC的充電效率和放電容量

2.4 低溫放電性能

表4為所制備40Ah鎳氫方形電池低溫不同放電倍率下的放電容量及放電效率。由表4可知，以泡沫鎳為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池在低溫下依然具有較好的放電效率，但以毛刺沖孔鍍鎳鋼帶為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池，在低溫下的放電性能急劇下降，且2C放電倍率下已不能放電，說明基體材料對電池低溫放電性能影響比較大。

表4 低溫下80%SOC的放電效率和放電容量

2.5 循環(huán)性能

圖1為所制備的40Ah鎳氫方形動力電池在45℃下的循環(huán)曲線。

圖1 不同基體材料所制備電池的循環(huán)曲線

根據(jù)原有電池測試對比表明，45℃高溫下的電池循環(huán)次數(shù)和常溫下循環(huán)次數(shù)關系大約是1∶3，由測試結果可知，所制備電池均具有較好的循環(huán)性能，但以毛刺沖孔鍍鎳鋼帶為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池的循環(huán)性能明顯低于以泡沫鎳為基體材料的貯氫合金電極所制備的電池，這是因為泡沫鎳具有三維網(wǎng)絡孔隙結構，可以抑制貯氫合金在循環(huán)過程中反復膨脹和收縮引起的活性材料粉化和脫落。

2.6 電池重量和成本變化

根據(jù)實驗計算，采用毛刺沖孔鍍鎳鋼帶作為貯氫合金電極基體材料，會使得40Ah鎳氫方形動力電池增重15g左右，從而會使得電池的能量密度和功率密度有所降低。采用毛刺沖孔鍍鎳鋼帶作為貯氫合金電極基體材料時基體材料的成本為9.2元，采用泡沫鎳作為貯氫合金電極基體材料時基體材料的成本為20.9元，相差11.7元。

3 結論

采用毛刺沖孔鍍鎳鋼帶作為貯氫合金電極基體材料極所制備的40Ah鎳氫方形動力電池依然具有較好的充放電性能，可以適應部分市場的需要，且每只電池成本可以下降約12元。但相比采用泡沫鎳作為貯氫合金電極基體材料所制備的40Ah鎳氫方形動力電池性能有所下降，尤其是低溫放電性能和循環(huán)壽命下降比較明顯，還需要進一步系統(tǒng)研究，通過優(yōu)化配方和制備工藝，在保證性能的基礎上降低成本。