鎳鋅電池及其制造方法
【專利摘要】一圓柱形鎳鋅電池，其包括一電池外殼，一電極組和電解液，該電解液被置于電池外殼內。該電極組包括一鎳正極，一鋅負極和位于兩者之間的隔膜，其中其上端與蓋帽相連。該鎳正極和鋅負極具有一個邊側部位，其外側暴露并向內彎曲以分別形成正極和負極導電末端，且復合隔膜的側邊密封在一起因此該電極被容納在該隔膜內。該電池具有結構簡單、組裝方便、成本低、安全性高、可長時間儲存、可有效抑制枝晶的生長、較長的使用壽命、強抗震動能力和良好的大電流放電性能。
【專利說明】鎳鋅電池及其制造方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鎳鋅電池及一種該鎳鋅電池的制造方法，尤其涉及一種可充電圓柱形鎳鋅電池結構，該電池結構可有效抑制鎳鋅電池內的、與電流不平衡分布相伴而生的枝晶的生長和崎變問題。

【背景技術】
[0002]環境問題的不斷增長和環境狀況的不斷惡化已促使很多國家出臺了嚴格的環境法規，也使綠色和低碳經濟成為時代趨勢。由于在網絡和電子產品的繁榮的同時，石油價格高企不下，以此使得可充電電池成為了新的不斷增長的市場。尤其是混合電動車(HEV)，插入式混合電動車(PHEV)和電動車(EV)市場的迅猛增長導致人們迫切需要更高能效、更強動力、更穩定和對環境更加友好的電池。傳統的電池技術，如鉛酸電池和鎳鎘電池無法滿足與新的環境標準相關的市場需求。另外，這些電池也不符合環境保護的要求。盡管鋰電池在便攜式電子產品領域的應用取得了非凡成功，但是因其含功率不足，價格高昂和安全風險較高而無法滿足大型系統的要求。新興的鎳鋅電池技術具有滿足各種應用需求的潛力。一個傳統的鎳鋅電池包括一電池外殼，一電極組和電解液，該電解液被置于電池外殼內。電極組包括一鎳正極(nickel cathode)，一鋅負極(zinc anode)和位于兩者之間的隔膜。鎳鋅電池是一種大功率高能量可充電電池，其在具有高安全性和低制造成本的優勢的同時還沒有與鉛、鎘和/或汞相關的環境污染。
[0003]鎳鋅電池具有諸多優點，但也有著其不利的一面。例如，鋅枝晶就是鎳鋅電池中的常見問題，也是一種常見的導致電池無法使用的原因。鋅枝晶產生在電池的再充電期間，也就是當活性材料鋅從其氧化態(ZnO)在電極上被還原成金屬鋅的過程中(如電極被充電的過程中)。取決于充電情況，該金屬可能會以枝晶的形式沉積下來。更重要的是所形成的枝晶可能會穿透隔膜將正極和負極連接在一起，因而使電池功能失效。因此，對鎳鋅電池，有必要解決枝晶生長這一問題。
[0004]另外，鎳鋅電池中的電流分布不均是導致電極變形和枝晶形成的另一原因。在傳統的鎳鋅電池的結構設計中，使用一個或多個極耳(tab)作為電極導電導線，其常常與集流體襯底結合連接并與電池的蓋帽和鋼制外殼相連。這種方法所導致的問題是電流的不平衡分布，在距離極耳近的位置電流強度較高而距離極耳遠的位置電流強度較低。以此所導致的結果是電極，尤其是鋅負極很可能會在充電或放電過程中發生變形。這種由于電流的不平衡分布所引起的變形可能會導致枝晶的生長和電池短路，因此會大大降低電池的循環使用壽命。另外，在使用極耳的設計中，電流必須經過一個較長路徑才能通過極耳到達電極的各個部分，因而降低了充電效率，增大了內阻和生成大量的熱。
[0005]因此，傳統的鎳鋅電池無法實現大電流放電，其應用也受到了限制。此外，一般情況下，隔膜的耐熱性較差，很容易在極耳的焊接過程中被損壞。
[0006]在傳統的鎳鋅電池中使用防枝膜是防止枝晶的一個手段。然而，防枝膜無法耐受較高溫度，其常常在焊接過程中被損壞。換句話說，在傳統的鎳鋅電池中使用防枝膜進一步導致因該精致隔膜所引起的制造裝配困難并導致解決枝晶問題的失敗。因此，對鎳鋅電池來說，目前存在克服電流的不平衡分布和電極變形的需要。
[0007]為了降低鎳鋅電池中的枝晶的形成，人們已經付出諸多努力。例如阿德列等(美國專利5，453，336和5，302，475)教導人們使用堿金屬基的氟化鹽和碳酸鹽來降低重復充電過程中鋅電極的形狀改變。斯帕茲安特等(美國專利4，181，777)公開一種用添加劑如多聚糖或山梨醇來阻止電池放電過程中的鋅枝晶的形成。比爾敕埃利等(美國專利4，041,221)公開了可用作為負極添加劑的無機鈦酸鹽。瑞姆佩歐等(美國專利3，954，501)公開了一種用非燒結不聯接的疏水線性氟有機高分子化合物作纖維網絡添加于電極中來增強電池中氣體的復合、電池容量的增加和電池循環壽命的提高。克里恩等(美國專利6，087，030)公開了一種在鋅負極中添加一種與與氫氧化鉀水溶液一起使用的使反應速率加速的金屬化合物如銦、鎵、鍺、錫化合物等。拉森等(美國專利4，857，424)公開了一種堿性鋅電化學電池，其含有一種硅化的成膜有機潤濕劑從而具有抑制鋅腐蝕和氫氣產生數量的功能。卡柯(美國專利4，022，953)公開了一種鋅電極結構，該鋅電極結構含有鎘，如金屬鎘或可在鋅原料中被電化學轉為金屬鎘的鎘化合物，該金屬鎘具有一定大小的粒子尺寸和比表面積。卡柯(美國專利5，863，676)公開了一種鋅酸鈣組分在鋅電極中的應用。卡柯(美國專利5，556，720)公開了一種氫氧化鋇或氫氧化鍶材料和一種含有金屬氧化物的導電基質的應用，該導電基質含有比鋅更正的電位，如氧化鉛、三氧化二鉍、氧化鎘、三氧化二鎵或三氧化二鉈。卡柯(美國專利5，556，720)公開了一種鎘顆粒材料分散在鋅負極的特殊鎘材料。卡柯(美國專利4，332，871)公開了一種含有粘合添加劑的鋅電極，該粘合添加劑分散分布于該電極中。謝林克等(美國專利4，791,036)公開了一種由硅銅合金制成的負極集電器在降低過充電期間的氣體釋出中的應用。季伯德等(美國專利4，552，821)公開了一種設于卷筒內的密封型可充電鎳鋅電池結構，以此使得該電池處于壓縮狀態。為阻止邊沿部的枝晶的生成，帶有縱向折疊隔膜裝置的電池也有報道(美國專利20100062347)。雖然已有的各種各樣的方法和步驟被用以阻止、延遲或消除鎳鋅電池中的枝晶生長，但仍沒有有效的方法用于阻止枝晶在邊緣的生長。在鎳鋅電池中，用在負極和正極之間的隔膜起到阻止枝晶生長的作用。一個好的隔膜可在阻止枝晶的生長方面起到非常好的作用，但是枝晶仍可在負極和正極的邊緣處生長，在此處電極對電解液開放。一般而言，防枝隔膜或隔膜不會環繞電極密封，而是僅僅被置于正負極之間。在充電期間，電極的暴露部分會有更大的鋅枝晶形成趨勢，即鋅枝晶更容易在負極的暴露部分生長而接觸到鄰近的正極或甚至是電池外殼。當正負極接觸，電池就會發生短路。為了抑制邊緣部位的枝晶的生長，可將防枝膜采用縱向折疊的方法，將其邊緣折疊，但是這種方法將會導致組裝上的困難和隔膜可能會被損壞。因此，人們需要有效的方法來阻止電極裸露部位的枝晶的生長。


【發明內容】

[0008]本發明的優勢在于其提供一種鎳鋅電池，該電池的結構配置可有效抑制枝晶的生長和為電池提供大電流放電下的良好性能，而該鎳鋅電池的制造方法簡單，各部件的組裝方便且不需要高難度的技巧和精度。
[0009]本發明的另一優勢在于其提供一種鎳鋅電池，該電池可克服現有技術的缺點，其可解決鎳鋅電池的枝晶生長，電極變形和電流的不平衡分布問題。
[0010]本發明的另一優勢在于其提供一種鎳鋅電池，該鎳鋅電池是一種可充電電池，其具有大電流放電能力以提供高的和足夠的功率和能量且其不會產生與鉛、鎘和汞相關的環境污染，同時該電池還具有很高的安全標準(不易燃燒)和低的制造成本。
[0011]本發明的另一優勢在于其提供一種圓柱形鎳鋅電池的制造方法，該方法對環境友好，且可避免使用有機溶劑和降低可能導致隔膜損壞的焊接風險。
[0012]本發明的其它優勢和特點通過下述的詳細說明得以充分體現并可通過下述對所附權利要求中特地指出的手段和組合的詳細說明得以實現。
[0013]依本發明，前述的和其他的目的和優勢通過一種圓柱形鎳鋅電池的制造方法得以實現，其中該圓柱形鎳鋅電池包括一個殼體，該殼體有一個外殼腔并形成一個位于所述殼體低端的外殼開口，該鎳鋅電池制造方法包括以下步驟:
[0014](a.1)準備鎳正極，其中所述鎳正極具有一個長的層狀體以形成其主體部分，一個位于第一邊緣的邊沿部和一個位于所述主體部分和所述邊沿部之間的連接處的折疊線，其中所述鎳正極的邊沿部在0.5?50毫米之間；
[0015](a.2)準備鋅負極，其中所述鋅負極具有一個長的層狀體以形成其主體部分，一個位于第一邊緣的邊沿部和一個位于所述主體部分和所述邊沿部之間的連接處的折疊線，其中所述鋅負極的邊沿部在0.5?50毫米之間；
[0016](b)準備微孔復合隔膜和電解液吸收纖維層并將電解液吸收纖維層設于該微孔復合隔膜上；
[0017](c)將帶有所述電解液吸收纖維層的所述復合隔膜設于所述鎳正極和鋅負極之間；
[0018](d)將所述鋅負極、所述鎳正極和所述帶有所述電解液吸收纖維層的復合隔膜卷制成一個電極組，以此方式所述鎳正極的所述邊沿部延伸至所述電極組的外部至一第一末端，所述鋅負極的所述邊沿部延伸至所述電極組的外部至一第二末端；
[0019](e)從外向內將所述鎳正極的所述邊沿部壓平以形成一個平的正極導電面并從外向內將所述鋅負極的所述邊沿部壓平以形成一個平的負極導電面；
[0020](f)將一負極集電器設于所述電極組的上端以此使得所述負極集電器與所述負極導電面之間形成一個物理性接觸，并將一正極集電器設于所述電極組的低端以此使得正極集電器與所述正極導電面之間形成一個物理性接觸；
[0021](g)使用耐堿絕緣膠帶將所述電極組的外側外表面完全覆蓋住以此使得所述鋅負極與所述殼體完全隔離開來；和
[0022](h)用鍍鎳底部單元將所述電極組密封在所述殼體的所述外殼腔中以形成所述圓柱形鎳鋅電池。
[0023]相應于本發明的另一方面，本發明包括一鎳鋅電池，其包括:
[0024]—殼體,所述殼體有一外殼腔并在所述殼體的低端形成一外殼開口，其中所述殼體包括一蓋帽單元和一底部單元，其中所述蓋帽單元位于所述殼體的上端，所述底部單元將位于所述殼體低端的所述外殼開口密封以形成一密封電池外殼；
[0025]—電極組,所述電極組被密封和容納在所述殼體內，所述電極組包括一鎳正極、一鋅負極和一隔膜，其中所述鋅負極具有一個長的層狀體以形成一主體部分，一邊沿部和一折疊線，其中所述邊沿部位于一第一邊緣，所述折疊線位于所述主體部分和所述邊沿部之間的連接處，其中所述長的層狀體被卷成一個圓柱形結構從而確定一折疊狀態，在所述折疊狀態，所述邊沿部沿折疊線向內折疊以形成一個平面，所述平面位于所述圓柱形結構的所述邊沿部的所述側邊，其中所述隔膜設于所述鎳正極和所述鋅負極之間并將所述鎳正極和鋅負極物理性地隔開和
[0026]電解液，該電解液被置于所述外殼腔之內以溝通所述鎳正極和鋅負極。
[0027]通過對隨后的描述和附圖的理解，本發明進一步的目的和優勢將得以充分體現。
[0028]本發明的這些和其它目的、特點和優勢，通過下述的詳細說明，附圖和權利要求得以充分體現。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為對依本發明較佳實施例的鎳鋅電池的圖示說明。
[0030]圖2A和2B為對依本發明較佳實施例的鎳鋅電池的鋅負極的圖示說明。
[0031]圖3為對依本發明較佳實施例的鎳鋅電池的鋅負極的折疊狀態的圖示說明。
[0032]圖4A和4B為對依本發明較佳實施例的鎳鋅電池的鎳正極的圖示說明。
[0033]圖5為對依本發明較佳實施例的鎳鋅電池的電極組的圖示說明。
[0034]圖6為對依本發明較佳實施例的鎳鋅電池的電極組的折疊狀態的圖示說明。

【具體實施方式】
[0035]如附圖之圖1所示，依本發明較佳實施例的鎳鋅電池包括一殼體10，一電極組30和電解液20。
[0036]該殼體10是一個具有一外殼腔11的電池外殼，該電池外殼包括一個位于其上端的蓋帽單元12，一底部單元13，一負極集電器14，一正極集電器15和一與蓋帽單元12相連的密封圈16，其中該底部單元13位于蓋帽單元12的對面位置并與蓋帽單元12相對，該負極集電器14將蓋帽單元12與電極組30相連，該正極集電器15將底部單元13與電極組30相連接。
[0037]電極組30和電解液20均被容納并密封在殼體10之內。該殼體10優選具有一個圓柱形結構體，該蓋帽單元12自殼體10的上端突出，底部單元13自殼體10的底部一端突出。電極組30包括一鎳正極31，一鋅負極32和一隔膜33，該隔膜33將鎳正極和鋅負極分隔開來，該電極組進一步形成一第一末端34和一位于第一末端的對面位置并與之相對的第二末端35。電極組30優選具有一個由鎳正極31，鋅負極32和隔膜33形成的圓柱形結構體。
[0038]優選地，電極組30的第一末端34位于提供負極導電金屬末端的上部一側并被連接于負極集電器14,電極組30的第二末端35位于提供正極導電金屬末端的底部一側并被連接于正極集電器15。負極集電器14穿過密封圈16與蓋帽單元12相連。優選地，該密封圈16具有一個由尼龍制成的層狀體。
[0039]蓋帽單元12包括一個上端元件121，低端元件123和一個中間防爆閥122。
[0040]上端元件121由不銹鋼或鍍有鎳層的鋼制成。上端元件121的表面鍍有銅、鎳、錫、銀、鉍、銦、鉛鉬、銻、硒、鈦中的一種或其中的多種組成的合金以確保該電池不會受到外部環境的影響和腐蝕。
[0041]蓋帽單元12的防爆閥122由丁腈橡膠，聚氨酯和三元乙丙橡膠制成，其被設于上端元件121和低端元件123之間，該蓋帽單元防爆閥122具有一組通道1221，其為位于防爆閥122的空氣釋放孔，該空氣釋放孔以蓋帽單元12為中心對稱分布。防爆閥122的作用主要是在電池發生意外時釋放其內部壓力。防爆閥122的制造材料優選丁腈橡膠或三元乙丙橡膠。
[0042]低端元件123由不銹鋼或鍍有鎳金屬層的鋼制成且其表面鍍有銀，銅，銦，鉛，錫，鋅中的一種或其中的多種組成的合金以阻止在蓋帽單元12和負極之間形成微電池而析氫，尤其是防止在蓋帽單元和負極之間的接觸點形成微電池而析氫。
[0043]負極集電器14的制造材料為不銹鋼、彈簧鋼、鍍有鎳金屬層的鋼帶、鍍有鎳金屬層的鐵、銅、黃銅、鎳、銦、錫和銀中的一種或其中的多種組成的金屬合金制成的金屬薄片，優選彈簧鋼和鈹-銅合金。負極集電器14的表面鍍有由銀、錫、銅、鉍、鉛、銦、鎳、鉬、銻、硒、鈦、鎵、鉻、鍺中的一種組成的鍍層或其中的多種組成的合金鍍層，其中優選銀、銦和錫，以此使得來自負極集電器14的氫析出反應被抑制，且電池內部的壓力被降低以確保鋅電極的安全性、長時間儲存能力、可恢復性和可逆性。負極集電器14與低端元件123結合連接，隨后其與電極組30的第一末端34的表面(近負極一側)發生物理性接觸。負極集電器的制造材料應具有良好的柔韌性和彈性，以此使得在電極組30和蓋帽單元12之間形成良好的接觸從而可以大大降低電池的內電阻和提高電池的高倍率放電能力。
[0044]正極集電器15由不銹鋼、彈簧鋼、鍍有鎳金屬層的鋼帶、鍍有鎳金屬層的鐵、銅、黃銅、鎳、錫和銀中的一種制成的薄片或其中的多種組成的合金制成的薄片制成，且該正極集電器15的表面鍍有銀、鎳、銻、硒、鈦、銅、鋅、銦和錫中的一種組成的鍍層或其中的多種組成的合金鍍層。正極集電器15首先與殼體10結合連接，然后殼體10與電極組30的第二末端35的表面(近正極一側)發生物理性接觸。正極集電器的制造材料應具有良好的柔韌性和彈性，以此使得在電極組30和殼體10之間形成了良好的接觸從而可以大大降低電池的內電阻和提高電池的高倍率放電能力。
[0045]密封圈16由聚丙烯、聚乙烯或其它耐堿且抗高溫的材料制成，其被設于低端元件123和負極集電器14之間。密封圈16的表面鍍有一種或幾種密封化合物，其由改性電解浙青、航空石蠟油、液態石蠟和特殊密封膠中的一種或幾種組成。密封圈16確保該電池不會因長時間的儲存或使用而發生堿性電解液的泄露。優選的制造材料分別是聚丙烯和聚乙烯。
[0046]如附圖之圖2A和2B所示，該鋅負極32有一個長的層狀體，其形成一主體部分321、一邊沿部322和一折疊線323，其中邊沿部322位于一側邊，折疊線323位于主體部分321與邊沿部322之間的連接線，其中該鋅負極32的長的層狀體被卷成一個折疊狀態下的圓柱形結構，該邊沿部322沿折疊線323向內折疊，以此方式邊沿部322在該圓柱形結構的一端形成一個平面324并在此折疊狀態下自主體部分321向內延伸。
[0047]尤其是，該邊沿部322有一組間隙3223和一組連接邊緣3221以此使得當邊沿部322被向內折疊至折疊狀態，兩個相鄰位置的連接邊緣3221彼此相互契合以形成一個平面324。換句話說，這兩個連接邊緣3221在折疊狀態下相互緊靠且形成的該平面324與該主體部分321相垂直。
[0048]值得注意的是，該邊沿部322由一組邊側單元3224形成，其中每兩個相鄰的邊側單元3224形成一個間隙3223，每個邊側單元3224形成兩個連接邊緣3221。優選地，該邊側單元3224的形狀為梯形，其形成一個第一邊緣32241和一個第二邊緣32242，其中該第一邊緣32241位于折疊線323，第二邊緣32242位于第一邊側32241的對面位置且與第一邊側32241相平行，其中第二邊緣32242的長度小于第一邊緣32241的長度，而連接邊緣3221在第一邊緣32241和第二邊緣32242之間延伸。當邊側單元3224以90°向內折疊至其折疊狀態時，每兩個相鄰的邊側單元3224各自通過相應的連接邊緣3221相互契合形成一個厚度均勻的平面324。換句話說，邊側單元3224被設計成如圖2A所示的式樣，以此使得邊側單元3224在折疊狀態下不會相互重疊，而平面324是一個由導電金屬制成的平滑的平面層，其形成于電極組30的第一末端34。該設計模式較為重要，否則的話將會發生重疊和引起由彎曲層的厚度的增加所導致的短路。
[0049]優選地，鎳正極31具有一個與鋅負極相似的結構。
[0050]如附圖之圖4A和4B所示，鎳正極31有一個長的層狀體，形成一主體部分311、一邊沿部312和一折疊線311，其中邊沿部312位于一側邊，折疊線312位于主體部分313與邊沿部312之間的連接線處，其中該鎳正極31的長的層狀體被卷成一個折疊狀態下的圓柱形結構，該邊沿部314沿折疊線313向內折疊，以此方式邊沿部312在該圓柱形結構的一端形成一個平面314并在此折疊狀態下自主體部分311向內延伸。
[0051]尤其是，該邊沿部312有一組空隙3123和一組連接邊緣3121以此使得當邊沿部312被向內折疊至折疊狀態，兩個相鄰位置的連接邊緣3121彼此相互契合以形成一個平面324。換句話說，這兩個連接邊緣3121在折疊狀態下相互緊靠且該平面324與主體部分311
相垂直。
[0052]值得注意的是，該鎳正極31的邊沿部312由一組邊側單元3124形成，其中每兩個相鄰的邊側單元3124形成一個間隙3123，每個邊側單元3124形成兩個連接邊緣3121。優選地，該邊側單元3124的形狀為梯形，其形成一個位于折疊線的第一邊緣31241和一個位于第一邊緣31241的對面位置且與第一邊緣31241相平行的的第二邊緣31242，其中第二邊緣31242的長度小于第一邊緣31241的長度，而連接邊緣3121在第一邊緣31241和第二邊緣32242之間延伸。當邊側單元3124以90°角向內折疊至折疊狀態時，每兩個相鄰的邊側單元3124各自通過相應的連接邊緣3121相互契合形成一個厚度均勻的平面314。換句話說，邊側單元3124被設計成如圖4A所示的模式，以此使得邊側單元3124在折疊狀態下不會相互重疊，而平面314是一個由導電金屬制成的平滑的平面層，其形成于第二末端35，該第二末端35位于電極組30的第一末端34的對面位置。該設計模式較為重要，否則的話將會發生重疊和引起由彎曲層的厚度的增加所導致的短路。
[0053]值得注意的是在電極組30中，負極32長于正極31以致負極32可完全覆蓋正極31因此在充電期間正極產生的氧可被吸收。隔膜33設于鎳正極31和鋅負極32之間，其為將鎳正極31和鋅負極32物理性隔開的中間層，以一種密封方式將鎳正極31和鋅負極32物理性隔開。優選地，該隔膜33為一種具有電解液吸收能力的復合隔膜。
[0054]尤其是，該隔膜33具有兩個通過粘合劑密封在一起的密封側邊331。換句話說，當隔膜33被組裝時，兩個相鄰的隔膜33的側邊相互接近且隔膜33的表面涂有粘合劑以此使得兩個相鄰的隔膜33被密封在一起，從而使正極31和負極32被密封于隔膜33內。
[0055]優選地，在將隔膜33與負極32和正極31組裝在一起之前，一粘合帶333先被涂于隔膜33的密封側邊331，由此隔膜33、正極31和負極32 —起組成一個電極組，在這個電極組被組裝好后，在折疊處，相鄰的兩個隔膜被粘合在一起。這種方法的好處在于可以使負極32和正極31彼此完全絕緣。因此，負極32和正極31之間的相互污染被杜絕，從而減少了氣體釋出。
[0056]尤其是，隔膜33優選一種由聚丙烯(PP)和/或聚乙烯(PE)制成的多孔性隔膜，且在將該隔膜33與負極32和正極31組裝在一起形成電極組30之前對其進行親水處理，其中該粘合帶333由甲基纖維素(MC)、羧甲基纖維素(CMC)、羥丙基甲基纖維(HPMC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PV)和聚四氟乙烯(PTFE)等粘合性材料中的一種或多種制成，該粘合帶333被設于隔膜33的密封側邊331以將該兩個相連的隔膜33粘合在一起。然后，由維尼會侖(vinylon)、聚丙烯(polypropylene)或無紡布制成的一層電解液吸收材料334被結合連接或干燥粘附在隔膜33的一個側邊以形成一個具有電解液吸收能力的復合隔膜。
[0057]值得注意的是，該多孔性隔膜被用于阻止鋅負極32的枝晶的生長。該隔膜33是一種防枝型隔膜，其可有效阻止鋅負極32的枝晶生長。盡管該隔膜33對鎳鋅電池來說是其關鍵部件之一，但在目前的市場上不存在一種有效、簡單和低制造成本的可有效抑制枝晶生長的隔膜。當前的市場上供應各種各樣的隔膜，但它們中的絕大多數并不具有枝晶抑制作用。市場上也有一部分結構復雜的高端隔膜具有一定的枝晶抑制效果，但它們的價格非常昂貴，對枝晶的抑制也不是特別有效。此種隔膜的使用會使鎳鋅電池失去低成本優勢。
[0058]優選地，該隔膜33是一種防枝膜，其被設計為包裹負極32。只要該防枝膜具有足夠的能力來抑制枝晶的生長，枝晶將無法在該隔膜30的密封側邊331處生長。這種枝晶無法在側邊生長的密封非常重要，現有技術的主要缺點之一就是無法實現這一點。換句話說，本發明在簡化了組裝過程的同時還提高了電池的使用壽命。
[0059]用在本發明的鎳鋅電池中的作為枝晶抑制隔膜使用的隔膜33具有一定結構。
[0060]首先，該隔膜33必須具有微孔結構且要求該隔膜33具有氣體和電解液滲透能力。該微孔的尺寸要小。當該微孔的尺寸太大時，它將很容易使枝晶穿過，當該微孔的尺寸太小時，將無法滿足滲透性的要求。最合適的微孔尺寸為30?50微米且要求這些微孔均勻分布。
[0061]另外，該隔膜33必須具有一定的厚度。如果該隔膜33太薄，枝晶可很容易地穿透過去。當該隔膜33太厚時，將導致內阻過大，即導致電解液滲透的過小和過慢。最合適的厚度為30?60微米。因此該隔膜33優選具有30?60微米的厚度以在保持滲透性的同時阻止枝晶的生長。
[0062]在本發明中，對疏水隔膜進行親水處理以使其具有親水性，對其在本發明中的應用很重要。為使這些疏水隔膜具有親水性，傳統的處理工藝采用的是輻射處理或接枝技術。然而，使用這些方法有以下缺點:(I)它們比較昂貴；(2)隔膜的親水性不夠好；和(3)導致內阻相對較高。因此，需要一種簡單，低成本和可獲得高質量處理結果的處理方法來使疏水性隔膜33變得具有親水性。
[0063]處理疏水性隔膜以使其具有親水性的技術已有多種。如美國專利4359510、4438185,6479190和20050208372教導了一種將疏水性的鋰離子隔膜放在含有有機溶劑如丙酮的液體系統中處理以使其具有親水性的方法。這些液體系統使用大量的有機溶劑，這就要求在處理期間具有高水平的預防措施，且該有機液體系統使用不便和對人體有害。本發明處理方法使用水作為溶劑。水系統容易操作且其對人體無害。另外，相關的制造成本也很低。更重的是，經水系統處理后的隔膜33更適于用在鎳鋅電池中。換句話說，本發明進一步提供了一種低成本聞效率的隔I吳33的制造方法。
[0064]該經水系統處理的隔膜33在本發明鎳鋅電池中使用時更加理想，因為該鎳鋅電池中的電解液為堿性水溶液，該隔膜33經水處理之后具有更好的電解液滲透性且其各部分分布均勻，因此該隔膜33與經有機溶劑處理的隔膜相比具有分布更加均勻的電流和更小的內阻，以此使得本發明的隔膜33適用于大功率放電。相應地，經水系統處理的該隔膜33成本較低，易于操作和生產效率高。
[0065]該復合隔膜33通過將微孔膜和電解液吸收膜粘連或干燥貼附在一起而形成，粘連劑或貼附劑為甲基纖維素(MC)、羧甲基纖維素(CMC)、羥丙基甲基纖維(HPMC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PV)和聚四氟乙烯(PTFE)等材料中的一種或幾種，微孔膜由聚丙烯和/或聚乙烯經親水處理制得，吸液膜由維尼綸、聚丙烯或無紡布制成。這種方法的優勢在于復合膜相當于單層結構從而使該電池的組裝操作更加容易，同時該方法可以保證電池的一致性和提升電池的生產效率5%?100%。
[0066]該微孔膜優選由聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或兩者的復合膜制成。無紡布優選由無紡的聚丙烯制成。將兩種膜復合的方法優選用高頻焊接。
[0067]優選地，鎳正極31由氫氧化亞鎳、金屬鎳粉和一粘合劑組成。二氧化釕和/或其它過渡金屬氧化物作為添加劑添加到正極中。含有稀土氧化物的金屬氧化物或氫氧化物也可能被加到正極中以改善電極的容量和存儲壽命。可選地，鋅的氧化物也可加到正極中以促進電荷的傳遞和改善高倍率放電的性能。本發明所得的正極31大大增強了傳荷的效率，提高了析氧過電位，以及增強了放電深度。
[0068]優選地，鋅負極32由氧化鋅、金屬鋅粉和一粘合劑組成。三氧化二鉍和/或三氧化二銦作為添加劑添加到負極中。金屬氧化物或氫氧化物，如三氧化二鋁，可被加到負極中而改善電極的容量和存儲壽命。可選地，氫氧化鈣也可加到負極中以促進電荷的傳遞以及改善負極的循環壽命。這樣的該負極能大大地降低枝晶的產生以及增加電池的循環壽命。
[0069]尤其是，包括一殼體的該圓柱形鎳鋅電池的制造方法包含下述步驟:
[0070](a)準備一鎳正極和一鋅負極；
[0071](b)準備微孔復合隔膜和電解液吸收纖維層并將電解液纖維吸收層設于該微孔復合膜上；
[0072](C)將帶有該電解液吸收纖維層的該隔膜置于該正極和該負極之間；
[0073](d)將該負極、正極和帶有該電解液吸收纖維層的該復合隔膜卷制成一個電極組，其中該鎳正極具有一個延伸至該電極組之外0.5?50毫米的裸露側邊且該鋅負極也具有一個延伸至該電極組之外0.5?50毫米的裸露側邊；
[0074](e)施加從外向內的壓力于所述鎳正極的所述裸露側邊以形成一個平的正極導電面并施加從外向內的壓力于所述鋅負極的所述裸露側邊以形成一個平的負極導電面；
[0075](f)通過與負極導電面的物理性接觸將一負極集電器設于該電極組的上端且通過與正極導電面的物理性接觸將一正極集電器設于該電極組的低端；
[0076](g)使用耐堿絕緣膠帶將所述電極組的外側外表面完全覆蓋住以此使得所述鋅負極與所述殼體完全隔離開來；和
[0077](h)將鍍有鎳金屬層的殼體密封起來以形成該電池。
[0078]堿性絕緣膠帶由聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)和尼龍(nylon)等材料中的一種或多種制成，優選由聚丙烯(PP)和/或聚乙烯(PE)制成。膠帶的一側邊緣具有粘附性，其另一側邊緣非常光滑。另外，該膠帶在置于80°C溫度條件和40% KOH溶液中12小時，其保持穩定且其在40% KOH中的變形比例小。它可有效地使鋼制外殼與負極相絕緣而避免短路和氫析出反應。
[0079]值得注意的是正負電極集電器是整合在一起的，該整合通過將負極集電器與蓋帽單元相結合連接和將正極集電器與電池外殼相連接得以實現。隨后該電極組和集電器或壓力彈簧被壓在一起。以此使得所組裝的電池使整個電極組在電流傳輸的電流分布非常均勻，這在大功率放電中起到重要作用而非常適于高功率放電。
[0080]由于電流的均衡分布，采用這種組裝方法的電池可以避免由于電流的不均衡分布所導致的極化產生。該方法可大大降低電池在充放電過程中電極的變形，同時電流的均衡分布將大大降低枝晶的產生。相應地，電池的壽命也得到極大地提高。
[0081]值得注意的是，由于在制造過程中隔膜，尤其是防枝膜，其與焊接過程相分開，這樣在制造過程中隔膜層將不會被破壞或損壞。在該電池的組裝過程中，隔膜和電極被一起卷繞以形成該電極組，而電極組與蓋帽單元或電池外殼之間的連接將通過將集電器帶突刺的面插入到該電極組中得以實現。
[0082]鎳鋅電池中的電流平衡是降低負極的形狀改變和抑制枝晶生長的關鍵因素之一。其可通過電極組表面與集電器之間的良好接觸得以實現。優選地，具有一定式樣的鎳片被設計用作正極集電器以將鎳正極與該殼體相連接。而鈹-銅片被設計具有一個彈簧形狀以用作傳輸負極表面與蓋帽之間的電子的橋梁。鈹-銅片表面鍍有一抗腐蝕鍍層，該鍍層由錫、錫-銅合金、銀、鉛和鉍等抗腐蝕材料中的一種或其中的多種組成的合金組成。
[0083]值得注意的是該電極的側邊，尤其是負極的側邊，其設計式樣在防止壓平時的重疊而造成的厚度的增加所導致的短路中起到重要作用。在組裝過程中，兩個相鄰的隔膜在其側邊處彼此接近并將粘合劑涂在該隔膜的表面以此使得兩個相鄰的隔膜被密封在一起從而使正極和負極容納在密封性隔膜內。這種密封方式非常重要因為這樣枝晶將不會在側邊生長。
[0084]本領域技術人員會明白附圖中所示的內容和以上所描述的本發明實施例僅是對本發明的示例而不是限制。
[0085]由此可以看到本發明目的可被充分有效完成。用于解釋本發明功能和結構原理的所述實施例已被充分說明和描述，且本發明不受基于這些實施例原理基礎上的改變的限制。因此，本發明包括涵蓋在附屬權利要求書的權利范圍和精神之內的所有修改。
【權利要求】
1.一種鎳鋅電池，其特征在于，包括: 一殼體，所述殼體有一外殼腔并在所述殼體的低端形成一外殼開口，其中所述殼體包括一蓋帽單元和一底部單元，其中所述蓋帽單元位于所述殼體的上端，所述底部單元位于所述殼體的低端將位于所述殼體低端的所述外殼開口密封以形成一密封電池外殼； 一電極組，所述電極組被密封和容納在所述殼體內，所述電極組包括一鎳正極、一鋅負極和一隔膜，其中所述鋅負極具有一個長的層狀體以形成一主體部分，一邊沿部和一折疊線，其中所述邊沿部位于一第一邊緣，所述折疊線位于所述主體部分和所述邊沿部之間的連接處，其中所述長的層狀體被卷成一個圓柱形結構從而確定一折疊狀態，在所述折疊狀態，所述邊沿部沿折疊線向內折疊以形成一個平面，所述平面位于所述圓柱形結構的所述邊沿部的所述側邊，其中所述隔膜設于所述鎳正極和所述鋅負極之間并將所述鎳正極和鋅負極物理性地隔開；和 電解液，所述電解液被置于所述外殼腔之內以溝通所述鎳正極和鋅負極。
2.根據權利要求1的鎳鋅電池，其特征在于，所述負極的所述邊沿部有一組間隙和一組連接邊緣，以此使得當所述邊沿部被向內折疊至所述折疊狀態，所述相鄰位置的連接邊緣中的兩個彼此相互契合以形成所述平面。
3.根據權利要求2的鎳鋅電池，其特征在于，所述邊沿部由一組邊側單元組成，以在兩個相鄰的所述邊側單元之間形成一個所述間隙并在一個所述邊側單元上形成兩個所述連接邊緣，其中每個所述邊側單元的形狀均為梯形以形成一個位于所述折疊線的第一邊緣和一個位于所述第一邊緣對面位置且與所述邊側單元的所述第一邊緣相平行的第二邊緣，其中所述第二邊緣的長度小于所述邊側單元的所述第一邊緣的長度，且兩個所述連接邊緣在每個相應的所述邊側單元的所述第一邊緣和所述第二邊緣之間延伸。
4.根據權利要求2的鎳鋅電池，其特征在于，每個所述邊側單元均以一個90度角向內折疊，以此使得所述平面在所述鋅負極具有一個均勻厚度，且每個所述邊側單元的高度，其為所述邊側單元的所述第一邊緣和所述第二邊緣之間的距離，為0.5?50毫米。
5.根據權利要求2的鎳鋅電池，其特征在于，所述隔膜為一復合隔膜，所述復合隔膜有兩個密封側邊，所述兩個密封側邊被密封在一起以容納所述鋅負極，以此使得所述鋅負極被容納包圍在所述隔膜內且所述鋅負極和所述鎳正極彼此完全絕緣。
6.根據權利要求4的鎳鋅電池，其特征在于，所述隔膜為一復合隔膜，所述復合隔膜有兩個密封側邊，所述兩個密封側邊被密封在一起以容納所述鋅負極，以此使得所述鋅負極被容納包圍在所述隔膜內且所述鋅負極和所述鎳正極彼此完全絕緣。
7.根據權利要求4的鎳鋅電池，其特征在于，所述鎳正極具有一個長的層狀體以形成一主體部分，一邊沿部和一折疊線，其中所述邊沿部位于一第一邊緣，所述折疊線位于所述主體部分和所述邊沿部之間的連接處，其中所述長的層狀體被卷成一個圓柱形結構從而確定一折疊狀態，在所述折疊狀態，所述邊沿部沿折疊線向內折疊以形成一個平面，所述平面位于所述圓柱形結構的所述邊沿部的所述側邊。
8.根據權利要求5的鎳鋅電池，其特征在于，所述鎳正極具有一個長的層狀體以形成一主體部分，一邊沿部和一折疊線，其中所述邊沿部位于一第一邊緣，所述折疊線位于所述主體部分和所述邊沿部之間的連接處，其中所述長的層狀體被卷成一個圓柱形結構從而確定一折疊狀態，在所述折疊狀態，所述邊沿部沿折疊線向內折疊以形成一個平面，所述平面位于所述圓柱形結構的所述邊沿部的所述側邊。
9.根據權利要求8的鎳鋅電池，其特征在于，所述鎳正極的每個所述邊側單元均以一個90度角向內折疊以此使得所述正極的所述平面在所述鎳正極具有一個均勻厚度，且每個所述鎳正極的所述邊側單元的高度，其為所述鎳正極的所述邊側單元的所述第一邊緣和所述第二邊緣之間的距離，為0.5?50毫米。
10.根據權利要求6的鎳鋅電池，其特征在于，進一步包括一個連接位于所述蓋帽單元和所述鋅負極之間的負極集電器和一個連接所述底部單元和所述鎳正極的正極集電器。
11.根據權利要求9的鎳鋅電池，其特征在于，進一步包括一個連接位于所述蓋帽單元和所述鋅負極之間的負極集電器和一個連接所述底部單元和所述鎳正極的正極集電器。
12.根據權利要求10的鎳鋅電池，其特征在于，進一步包括一個密封圈，所述負極集電器穿過所述密封圈與所述蓋帽單元相連接。
13.根據權利要求11的鎳鋅電池，其特征在于，進一步包括一個密封圈，所述負極集電器穿過所述密封圈與所述蓋帽單元相連接。
14.根據權利要求5的鎳鋅電池，其特征在于，所述隔膜為通過水系統處理得到的親水性隔膜。
15.根據權利要求8的鎳鋅電池，其特征在于，所述隔膜的厚度為30?60微米且所述隔膜有一組均勻分布于其上的孔，其中所述孔的孔徑為30?50微米，其中所述隔膜為通過水系統處理得到的親水性隔膜。
16.根據權利要求12的鎳鋅電池，其特征在于，所述隔膜的厚度為30?60微米且所述隔膜有一組均勻分布在所述隔膜的孔，其中所述孔的孔徑為30?50微米，其中所述隔膜為通過水系統處理得到的親水性隔膜。
【文檔編號】H01M10/28GK104362391SQ201410458959
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2011年5月9日 優先權日:2011年5月9日
【發明者】馬福元 申請人:杭州新研動力能源有限公司