镍氢电池制造及辅助材料--学士学位论文.doc

1镍氢电池概述
1.1镍氢电池的发展概况
1.2镍氢电池的化学原理
1.3镍氢电池结构
1.4镍氢电池的特性
1.5 镍氢电池的发展
2镍氢电池的设计
2.1镍氢电池设计基础
2.2镍氢电池设计的基本步骤
2.3镍氢电池设计举例
3.镍氢电池主要辅助材料
3.1基体材料
3.2隔膜
3.3电解液
3.4导电剂
3.5粘合剂
4镍氢电池的制造
4.1镍氢电池正极的制造
4.2镍氢电池负极的制造
4.3镍氢电池的组装4.4镍氢电池的化成分选
5镍氢电池的制造设备
5.1镍氢电池的极片制造设备
5.2镍氢电池的组装主要设备
5.3镍氢电池的化成分选设备

6.镍氢电池的检测技术
6.1镍氢电池规范
6.2充放电性能测试
6.3电池容量的测试
6.4电池循环寿命的测试
6.5电池内阻与内压的测定
6.6电池温度性能的测试
6.7电池自放电及存储性能的测试
6.8安全性能的测试
6.9电极活性物质性能的测定

1镍氢电池概述
镍氢二次碱性电池可分为高压氢镍电池和低压氢镍电池两类。
这里所说的镍氢电池实际上是指金属氢化物-镍电池（MH-Ni），它是由Markin等采用LaNi5电极代替高压氢-镍电池中的氢电极的一种新型低压氢-镍电池。
1.1镍氢电池的发展概况
MH-Ni电池的技术发展大致经历了三个阶段：第一阶段即六十年代末至七十年代末为可行性研究阶段；第二阶段即七十年代末至八十年代末为实用性研究阶段；1984年开始，荷兰、日本、美国都致力于研究开发储氢合金电极。1988年，美国Ovonic公司，1989年，日本松下东芝三洋等电池公司先后开发成功MH-Ni电池。第三阶段即九十年代初至今为产业化阶段。我国于80年代末研制成功电池用储氢合金，1990年研制成功AA型MH-Ni电池，容量在900～1000mAh。现在已有数十个厂家能批量生产MH-Ni电池。
由于我国具有丰富的稀土资源，因此在我国MH-Ni电池的开发促进了这一资源优势转化为产业优势，并得到了国家“863”计划的大力支持，八五期间和九五期间MH-Ni电池均被国家科委列为重点发展项目。
1.2镍氢电池的化学原理[1]
1.2.1镍氢电池的电极反应
镍氢电池是以金属氢化物为负极，氢氧化镍电极为正极，氢氧化钾溶液为电解液，电池的电极反应如下：
正 极
充 电 Ni(OH)2+OH- NiOOH+H2O+e
过充电 4OH- 2H2O+O2+4e
放 电 NiOOH+H2O+e Ni(OH)2+OH-
过放电 2H2O+2e H2+2OH-
负 极
充 电 M+H2O+e MH + OH-
过充电 2H2O+O2+4e 4OH
放 电 MH+ OH- M+H2O+e
过放电 H2+2OH- 2H2O+2e
总电池反应：MH+NiOOH M+Ni(OH)2
图1-1 MH-Ni电池反应机图
充电时，正极上的Ni(OH)2转变为NiOOH，水分子在贮氢合金负极M上放电，分解出氢原子吸附在电极表面上形成吸附态的MHad，再扩散到贮氢合内部而被吸收形成氢化物MHab 。氢在合金中的扩散较慢，扩散系数一般都在10-7～10-8cm·s-1。扩散成为充电过程的控制步骤。这个过程可以表示如下：
M+H2O +e MHad + OH-
MHadα-MHab
α-MHabβ-MH
MHad+ MHad 2M+H2
MHad + H2O +e M+H2+OH-
在电极充电初期，电极表面的水分子在金属镍的催化作用下被还原成氢原子，氢原子吸附在合金的表面上，形成吸附态氢原子MHad。吸附在合金表面上的氢原子扩散进入合金相中，与合金相形成固溶体α-MHab。
当溶解于合金相中的氢原子越来越多，氢原子将与合金发生反应，形成金属氢化物β-MH。当氢原子浓度进一步提高时，将发生氢原子的复合脱附或电化学脱附。
过充电时，由于阳极上可以氧化的Ni(OH)2都变成了NiOOH(除了活性物质内部被隔离的Ni(OH)2之外)，这时OH-失去电子形成O2，O2扩散到负极，在贮氢合金的催化作用下得到电子形成OH-，也可能与负极产生的氢气复合成水，放出热量，使电池温度升高，同时也降低了电池的内压。负极上由于贮氢合金已吸饱了氢不能再吸氢，这时，水分子在负极上放电形成H2，H2再在贮氢合金的催化作用下与正极渗透过来的氧气复合成水。
放电时，NiOOH得到电子转变为Ni(OH)2，金属氢化物(MH)内部的氢原子扩散到表面而形成吸附态的氢原子，再发生电化学反应生成贮氢合金和水。氢原子的扩散步骤仍然成为负极放电过程的控制步骤。
过放电时，正极上可被还原的NiOOH已经消耗完了（镍氢电池一般设计为负极容量过量)，这时H2O便在镍电极上还原
正极(镍电极)．2H2O+2e H2+2OH-
负极(贮氢合金电极)：H2+2OH- 2H2O +2e
这样氢气在镍电极上生成，又在贮氢合金电极上消耗掉。这时电池的电压变成“负”的，即镍电极电位反而比氢电极电位更负，所以也称为反极。
在电池反应中，贮氢合金担负着贮氢和电化学反应的双重任务。
从上面的过程可以看出，在过充和过放过程中，由于贮氢合金的催化作用，可以消除产生的O2和H2从而使电池具有耐过充过放电能力。但随着充放电循环的进行，储氢合金逐渐失去催化能力，电池内压便升高了。
为了保证氧的复合反应，消除氧气压力，设计电池时，负极容量过量，电池容量由正极限制。实现电池密封时，才能保证电池的安全。
1.2.2 MH-Ni电池过充电时内部气体与物质的循环
MH-Ni电池过充电时，电池内部气体复合可保持电池内压平衡。因为，过充电时，电池正板将发生析氧反应。析出的氧通过多孔隔膜到达负极表面。由于负极的设计容量过剩，
4OH- 2H2O + O2 + 4e
在充电过程中不会因负极不能吸收氢而使氢原子复合成氢气析出，而是到达负极表面的氧气与金属氢化物发生氧化-还原反应
4MH+ O2 4M+2H2O
镍是上述反应的良好催化剂。MH-Ni电池活化后，贮氢合金表面层中金属镍的浓度大大提高。当电池过充电时，吸附在金属镍表面的氢原子增多，有利于反应。因此，不会因析出氧而导致电池内压升高。
过充电时的总反应为 4M+2H2O O2 +4MH
过充电时，电池内部的物质并未因正极析氧而减少，而是通过氧的产生与消耗达到物质平衡。
在上面的分析中，假设电池过充电时负极是不析出氢气的。但是对于电池化成不好而使得金属氢化物电极表面催化性能差的贮氢合金电极，其充电效率与充电容量将受到很大影响。当充电量达到一定程度后，过电位太大会导致负极产生氢气，而氢气在正极上消耗或被负极再次吸收的速率是缓慢的。因此当电池过充电时，由于伴随较多的氢气析出，而氧气又不能有效地被负极消耗，造成内压迅速增长，最终使电池漏气。所以，对于理想的MH-Ni电池，必须具有良好的金属氧化物电极以降低电池的内压，增强负极复合氧气的能力。
13镍氢电池的结构
目前市售Ni-MH电池主要有圆筒形、方形和扣式3类。其结构示意图如图1-2、图1-3和图1-4所示。
从这些结构图中可以看出，不论哪种结构的电池，均由外壳、正极片、负极片以及正负极极耳(导电带)、密封圈、放气阀帽 (正极)、隔膜等组成。

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图1-2 圆筒形MH-Ni电池断面图
1- Ni(OH)2正极；2-MH负极；3-隔膜； 4-1.2.3卷绕的电极组；5-负极极耳；6-外壳； 7-密封圈；8-正极帽兼放气阀； 9-弹簧；10-正极极耳

图1-3方形MH-Ni电池结构图 图1-4MH-Ni扣式电池结构图
1-负极柱；2-安全阀；3-正极柱； 4-上盖； 1-正极盖；2-正极片； 3-隔膜；4-负极片；
5-密封圈；6-正极片； 7-负极片；8-壳体； 5-密封圈；6-负极壳；
1.4镍氢电池的特性[2]
MH-Ni电池的特点是能量密度高，无记忆效应，耐过充过放能力强，无污染，被称为绿色电池。MH-Ni电池性能通常指物理性能和电性能，电性能包括充放电性能、温度特性、循环寿命、自放电特性等。
1.4.1 MH-Ni电池充、放电特性
(1)充电特性
MH-Ni电池充电曲线与Cd-Ni电池相似，但充电后期MH-Ni电池充电电压比Cd-Ni电池低(图1-5(a))。温度与充电速率对充电电压有明显的影响，温度高，充电电压低(见图1-5(b))；充电速率快，充电电压高(见图1-5(c))。

图 1-5 MH-Ni电池充电曲线

(a)MH-Ni电池与Cd-Ni电池充电过程比较，充电电流：1C，20°C；
(b)不同温度下的充电曲线，充电电流：0.3C；
(c)不同充电电流下的充电曲线，20°C；
(2)放电特性
MH-Ni电池的放电电压与Cd-Ni电池相似，但放电容量几乎是Cd-Ni电池的二倍。电池放电过程中的容量和电压与使用条件有关，如放电倍率，环境温度等。一般，放电倍率越大，放电容量与放电电压越低。如图1—6所示。
MH-Ni电池设计时，容量设计由正极限制，负极容量过剩，以保证充电时，正极产生的O2到负极的复合反应，消除氧气压力，实现电池密封，并保证电池的安全。为了达到电池的质量指标，标称容量指标，并合理有效利用电池的内部空间，必须使正、负极具有一定的比容量即质量比容量和体积比容量。对AA型电池，一般要求负极容量大于1500mAh，正极容量大于1050mAh。要达到这样的指标，要求负极贮氢材料组成合理，比能量高，同时有良好的组装工艺。
1.4.2温度特性
图(1-5(b))是不同的环境温度下，电池电压与充电容量的曲线可见，在各种环境温度下，当充电容量接近标称容量的75％时，由于阳极板产生的氧气使得电池电压升高，充电容量达标称容量的百分之百时，电池电压达最大值。随后，由于电池的自热，导致电池电压的降低。引起这种现象的原因是因为电池电压有一个负的温度系数。由于充电效率依赖于温度，因此，在较高的温度下充电时，电池的放电容量会降低。

图1-7 MH-Ni电池的温度特性
(a)不同温度下的放电曲线 (b)不同温度下的放电容量
充电条件：0.3C，5h，20℃ 充电条件：0.3C，5h，20℃
放电电流：0.2C 放电电流：0.2C，1C
环境温度不同，虽放电倍率相同，但放电电压不同(见图1-7 (a)，随着放电倍率提高，温度对放电容量的影响越来越显著，特别是在低温条件下放电时，放电容量下降更明显(见图1-7(b))。
1.4.3 自放电特性
MH-Ni电池的自放电比Cd-Ni电池大。图1-8表示MH-Ni电池的自放电特性，引起电池自放电的因素很多，其中贮氢合金的组成、使用温度、电池的组装工艺是主要因素。温度越高，自放电越大。
贮氢合金的析氢平台压力偏高，则吸收的氢气易从合金中逸出，从而引起电池的自放电。为此，要求贮氢合金的析氢平台压力在10-4～0.1MPa之间。
隔膜选择不当，组装不合理，循环中合金粉的脱落，微枝晶的形成均可引起自放电，甚至电池短路。
MH-Ni电池自放电引起的容量损失是可逆的，长期贮存的MH-Ni电池，经过三次小电流充放电后可使电池容量恢复。
1.4.4循环寿命
图1-9是MH-Ni电池的电池容量与循环次数的关系。
在密封的MH-Ni电池中，在充电-放电循环过程中，容量降低的历程包括下列几个步骤：
①在过度充电过程中，阳极析出的氧气大部分与吸收在阴极合金中的氢气发生了反应。但是一部分氧气在合金粉末表面与碱性溶液接触将稀土金属氧化成了Ln(OH)3(Ln稀土金属)。
②在充电-放电循环中，在合金粉末的表面形成的Ln(OH)3的增加，会引起合金吸收氢气减少。所以，电池内氢气的分压会在内部气体总压力中逐渐上升。
⑧当电池的内压高于密封的通气孔的固定压力时，就会发生气体的泄漏，
搁置时间t／d

图1-8 MH-Ni电池不同温度下的自放电特性 图1-9 MH-Ni电池的循环寿命
循环条件充电：0.25C，3.2h；
放电：1C，放电到1.0V；
温度：20 ℃
随着电解质数量的减少，内部阻抗增大，容量降低。所以要提高电池的循环寿命，除了改善电极的性能之外，还要改善电池的组装工艺。
1.5 MH-Ni电池的发展[3]
1.5.1我国镍氢电池产业化的主要问题
虽然我国对镍氢电池的开发起步较早而且得到了政府的大力支持，并已进入产业化阶段，但是由于工业基础薄弱和资金投入的局限性，我国目前的镍氢电池性能和制造水平与世界先进水平尚有明显的差距。具体表现在：
⑴相同尺寸的电池容量较低；
⑵充电尤其是大电流充电后期电池的内压和温度偏高；
⑶大电流放电时放电电压平台偏低；
⑷电池性能的均一性差，主要表现在容量和内阻方面；
⑸自放电较大，电池的储存性能较差；
⑹循环寿命较低，目前国产电池循环寿命一般只有300-400次，日本电池在500次以上；
⑺电池性能受温度影响较大，使用的温度范围受限制。
上述这些问题都是产业化过程中需要研究人员尽快解决的课题。
1.5.2镍氢电池发展前景
随着电子、通讯事业的迅速发展，MH-Ni电池的市场迅速扩大，据预测，仅日本到2000年时，MH—Ni电池的产值将是Cd-Ni电池的两倍以上。
电动车大容量方型MH-Ni电池的开发，将是一个更为巨大的市场。一辆电动车(按100Ah，150V)所需电池约12500Ah。美国Ovonic公司已开发出30kW的电动车用MH-Ni电池，比能量达71Wh·kg。，体积比能量达172Wh·L。日本松下电池公司、丰田公司、东北电力公司都相继研制成MH-Ni电池的电动汽车。我国也开始研究以MH-Ni电池为动力的电动车。
可以预料，高容量、污染小、寿命长的绿色MH-Ni电池将是本世纪应用最广的高能电池之一。
2镍氢电池的设计[4]
2.1镍氢电池设计基础
2.1.1电池设计的目的和基本原则
电池设计．就是根据仪器设备的要求，为其提供具有最佳使用性能的工作电源或动力电源。因此，电池设计首先必须满足用电器的使用要求，并进行优化，使其具有最佳的综合性能，以此来确定电池的电极、电解液、隔膜、外壳和其它零部件的参数，并将它们合理搭配．制成具有一定规格和指标的电池或电池组。
2.1.2电池的设计要求
电池设计是为满足对象(用户或仪器设备)的要求而进行的。因此，在进行电池设计前，首先必须详尽地了解对象对电池性能指标及使用条件的要求，一般包括以下几个方面：
(1)电池的工作电压；
(2)电池的工作电流，即正常放电电流和峰值电流；
(3)电池的工作时间，包括连续放电时间，使用期限或循环寿命；
(4)电池的工作环境，包括电池工作时所处状态及环境温度；
(5)电池的最大允许体积。
同时还应综合考虑：①材料来源；②电池性能；③电池特性的决定因素；④电池工艺；⑤经济指标；⑧环境问题等方面的因素。
2.1.3评价电池性能的主要指标
电池性能一般通过以下几个方面来评价。
(1)容量
电池容量是指在一定放电条件下，可以从电池获得的电量，即电流对时间的积分，一般用Ah或mAh来表示，它直接影响到电池的最大工作电流和工作时间。
(2)放电特性和内阻
电池的放电特性是指电池在一定的放电制度下，其工作电压的平稳性，电压平台的高低以及大电流放电性能等，它表征电池带负载的能力。电池内阻包括欧姆内阻和电化学极化内阻，大电流放电时，内阻对放电特性的影响尤为明显。
(3)工作温度范围
用电器的工作环境和使用条件要求电池在特定的温度范围内具有良好的性能。
(4)贮存性能
电池贮存一段时间后，会因某些因素的影响使性能发生变化，导致电池自放电；电解液泄漏，电池短路等。
(5)循环寿命(二次电池)
循环寿命是指二次电池按照一定的制度进行充放电，其性能衰减到某一程度(例如，容量初始值的70％)时的循环次数。
(6)内压和耐过充性能(二次电池)
对于MH-Ni等密封型二次电池，大电流充电过程中电池内部压力能否达到平衡，平衡压力的高低，电池耐大电流过充性能等都是衡量电池性能优劣的重要指标．如果电池内部压力达不到平衡或平衡压力过高，就会使电池限压装置(如防爆球)开启而引起电池泄气或漏液，从而很快导致电池失效。如果限压装置失效，则有可能会引起电池壳体开裂或爆炸。
2.1.4决定电池特性的主要因素
(1)电极活性物质
电极活性物质决定了电极的理论容量和电极平衡电位，从而决定着电池容量和电池电动势。电极的理论容量是指活性物质全部参加电池的成流反应，根据Faraday定律计算出的电量。
电池活性物质除了要有较高的理论容量和较正(正极)或较负 (负极)的平衡电位外，还要求活性物质具有合适的晶型、粒度、表面状态等，从而获得较高的活性。而且电池在开路情况下，活性物质应具有良好的稳定性，与电池内各组分不发生任何作用。
(2)电解液
电解液是电池的主要组成之一，电解液的性质(冰点、沸点、熔点等)直接决定了电池的工作温度范围。改善电解液的性质可以扩大电池工作温度范围，改善电池的高低温性能。
电解液的比电导直接影响电池的内阻，一般应选择比电导较高者。但还应该注意电池的使用条件，如在低温下工作，还要考虑电解液的冰点情况。
对于非水有机溶剂电解液，一般是电解液的介电常数越大越好，而粘度则越小越好。
电解液需要长期保存于电池中，所以要求它具有良好的稳定性，电池开路时，电解质不发生任何反应。
(3)隔膜
化学电源对隔膜的基本要求是有足够的化学稳定性和电化学稳定性．有一定的耐碱性、耐腐蚀性，具有足够的隔离性和电子绝缘性，能保证正负极的机械隔离和阻止活性物质的迁移，具有足够的吸液保湿能力和离子导电性，保证正负投问良好的离子导电作用。此外，还要有较好的透气性能，足够的机械性能和防震能力。
隔膜的以上性质对于电池的内阻、放电特性、贮存性能及自放电、循环性能、内压和耐过充性能等都有着重要的影响，合理选择使用隔膜的种类和厚度，对电池性能尤为重要。MH-Ni电池中常用的有聚丙烯毡隔膜、聚酰胺隔膜等。
(4)电极制备工艺
电极的制造方法有粉末压成法、涂膏法、烧结法和沉积法等。不同的制造方法各有其特点，压成法设备简单，操作方便，较为经济，一般电池系列均可采用；涂膏法也较普遍，涂膏法制得的电池寿命较长，自放电较小；烧结式电极寿命较长，大电流放电性能好，；电沉积式电极孔率高，比表面积大，活性高，适用于大功率、快速激活电池。

在电极制备过程中，往往需在活性物质中加入一些导电剂、分散剂、保液剂和添加剂等来提高活性物质的利用率，改善电极导电性，从而提高电极的实际容量和电池的放电性能、循环性能等。电极制备工艺往往是电池制造技术中的关键和核心。
(5)电池结构与装配
合理的电池结构有利于发挥电池的最佳性能。两极物质的配比、电池组装的松紧程度、电池上部气室的大小都对电池的内阻、内压和活性物质的利用率有一定程度的影响。
电池在组装过程中的焊接方式、焊接质量对电池的放电性能也有较大程度的影响。
2.2镍氢电池设计的基本步骤
电池设计人员在明确设计任务和做好充分准备后，即可进行设计。
根据电池用户要求，电池设计的思路有两种：一种是为用电设备和仪器提供额定容量的电源；另一种则只是给定电源的外形尺寸，研制开发性能优良的新规格电池或异形电池。
2.2.1额定容量电池设计步骤
(1)确定组合电池中单体电池数目与工作电流密度。
a．根据用户要求确定电池组的工作总电压，工作电流等指标，选定电池系列，参照该系列的“伏安曲线”(经验数据或通过实验所得)确定单体电池的工作电压与工作电流密度。
b．确定电池组中单体电池数。
单体电池数目=
(2)计算电池容量
a．根据要求的工作电流和工作时间计算额定容量。
额定容量=工作电流×工作时间
b．确定设计容量。
设计容量=额定容量×设计系数
其中设计系数是为保证电池的可靠性和使用寿命而设定的，一般取1.1～1.2。
(3)计算活性物质的用量
a．控制电极的活性物质用量。
单体电池中控制电极的活性物质用量=
b．非控制电极的活性物质用量。
单体电池中非控制电极的活性物质用量=
过剩系数一般在l～2之间．如MH-Ni电池常取1.3～1.7。
(4)电极极片设计(确定电极总面积、电极数目、单片电极物质用量、单片电极厚度)。
a．根据工作电流和选定的工作电流密度，计算电极总面积(以控制电极为准)。
电极总面积＝
b．根据电池外形最大尺寸，选择合适的电极尺寸，计算电极数目。
电极数目=
c．根据单体电池正负极活性物质用量和电极数目计算单片电极活性物质用量。
单片正（负)极物质用量=
d．确定单片电极厚度
正（负）极片的平均厚度＝
其中，集流网厚度=
(5)电池隔膜材料的选择及厚度、层数的确定
根据电池系列及设计要求选定合适的电池隔膜材料及厚度，依据具体设计确定所需隔膜层数。
(6)确定电解液的浓度及用量
根据选定的电池系列的特性，结合具体电池设计的要求和使用条件(如工作电流、工作温度、循环性能等)或根据经验数据来确定电解液的浓度和用量。
电解液的用量以保证电池不泄漏情况下较多为好。
(7)确定电池的松紧度及单体电池尺寸
松紧度可通过以下公式来计算
松紧度=×100％
对于圆柱形电池，亦通过横截面积来计算
松紧度=×100％
电池横截面积＝
d为电池内径。电池的松紧度依据选定系列的电池特性及设计电池的电极厚度来确定，一般方形电池经验数据为85％左右。圆柱型电池可达95％左右，这是因为一般圆柱型电池比方形电池的耐内压性能要好，方形电池在在内压过高情况比圆柱型电池更加容易鼓肚。选定松紧度后，依照以上公式可得电池内径，再根据电极高度、电解液量及气室容积等情况可确定电池壳体的高度。
2.2.2新规格或异形电池的设计步骤
设计工作一般是在设计者对该系列电池有了一定程度的了解基础上进行的，它以已成型的一种规格的电池为参照进行电池参数的设计和调整，因而其设计步骤较第一种要简单，方便得多。
下面以圆柱形密封电池为例介绍这种设计方法。
(1)选定参照基准
一般选择该系列电池中设计较为合理，尺寸、规格比较接近的电池作为参考对象。
(2)确定电极极片高度
电极极片高度主要根据壳体高度、气室高度来确定：
极片高度=电池壳体高度一K1×基准电池剩余高度
基准电池剩余高度＝基准电池高度一基准电池极片高度
其中，电池剩余高度指的除极片以外的电池高度，主要与气室高度有关，K1为设计系数，一般为0.8～1.2，设计电池尺寸较基准电池大或高时取值K1≥1，否则K1≤1。
(3)计算电池活性物质用量
电池活性物质的用量可根据电池有效容积计算
电池有效容积=×电池极片高度
正(负)极活性物质用量＝
(4)极片厚度和长度的确定
a．正极片厚度
极片厚度主要根据电池直径来确定，一般大电池极片较厚。
电池正极片厚度＝K2×基准极片厚度
K2一般取0.6～1.6。
b．正极片的长度
正极片的长度可根据正极活性物用量及正极活性物质在极片中的体积密度（压实密度）来计算。正极片体积密度一般为2.7-3.0g/cm3，负极片体积密度一般为5.5-5.8 g/cm3 ,具体根据电池容量和装配松紧度确定。
活性物质体积密度=
正极片的长度=
c．负极片的长度和厚度
因为密封型二次电池由正极限制容量，负极过量，一般要求负极能够包裹住正极。其长度可通过以下经验公式计算：
负极片长度=正极片的长度+K3×
其中：K3取值为0.95～1.05，调整K3使负极末端刚好盖住正极为宜。
负极片的厚度则由其活性物质用量和电极的高度、长度可确定。与正极片类似。
(5) 电池容量的计算
电池容量＝K4×
K4是因为电极活性物质在不同规格、尺寸电池中的利用率不同而设定的参数。一般为0.9～1.1，一般尺寸大或高的电池取K4≤1，否则K4≥1。
(6)隔膜的选择和尺寸的确定
根据设计要求选用合适的隔膜材料和厚度，一般大电池可选择稍厚的隔膜，隔膜的宽度比负极高度宽2～4mm，隔膜长度可依下式计算： 、
隔膜长度=(正极片长度+负极片长度)×K5
K5取值为0.95～1.05之间。
(7)电解液用量的确定
电解液用量可由以下公式计算：
电解液用量=
以上为一般电池设计的基本步骤。电池设计完毕后，还耍经过试制样品，进行各项性能测试，如果电池性能测试结果完全达到设计要求，则该设计达到了设计定型的要求，可投入生产。
2.3镍氢电池设计举例
【例1】设计容量为1100mAh的AA型MH-Ni电池。电池的直径（d）为：13．9士0．2mm，高度(H)50士0.2mm电池额定电压为1.2V。
(1)电池容量 C=Cг×Kc
C为设计容量，Cг为额定容量(1100mAh)；Kc为设计安全系数，一般取1.1～1.2，这里取1.1，则
C=1100×1.1=1210mAh
(2)极片高度
在考虑极板高度时应注意：①极板上部要有足够的空气室，一般取5～15 mm高；②隔膜应比极板高出2～4 mm ，综合考虑此两点，因电池高为50mm，极板高度H为41mm。
(3)极片面积
对于MH-Ni电池，工作电流通常为600mA，工作电流密度i一般为5～15mA·cm-2，这里取i＝9mA·cm-2，则
S+=600／9=66.7cm2
S－= Ks S+=1.3×66.7=86.7cm。
Ks为设计系数，这里取Ks=1.3。
(4)极片长度的设计
正、负极片均为矩形，极片面积等于长乘高的二倍，因此，极片长度为

L+=
L-=
(5)极片厚度
MH-Ni电池中，通常控制正极片厚度为0.58士0.02mm范围内，负极板在0.375士0.02mm范围内。
(6)活性物质用量的计算 活性物质用量m=C×q/η
式中，q为活性物质电化当量，g·Ah-1；η为封口电池中活性物质利用率，这里取80％，则
m+=1.21×3．459／0.8=5.23g
m-=1.21／(0.25×0.6) =8.06g
注意在计算m-时，由于负极是贮氢合金粉，其电化当量不能用H2的电化当量来计算，应根据活性物质粉料的电化学容量、利用率来计算，即
m-=C／v·η
式中，v为贮氢材料的比容量0.25Ah·g-1；η为封口龟池中负极活性物质利用率。
(7)龟解液浓度和用量
电解液用1.25～1.30g·I．-1KOH，加入15g·L-1LiOH，用量一般为电池活性物质量的18％。
malk=(5.23+8.06)×18％=2.39g
(8)隔膜尺寸
隔膜的长度一般为正负极长度之和，这里为187mm，宽度比极片宽2～4mm，本例可取44mm，厚度通常在0.15～0.2mm之间，这里取0.18mm。
(9)松紧度检验
松紧度=V1／V 2×100％
其中 V1= V ++V-+ V (隔)；
V2——电池壳体内空间体积。
V1=81×0.58h+106×0.37h+187×0.18h =119.86 h
V2＝πr2h=3.14×(13.3／2)2h=138.86h
松紧度=119.86／138.86×100％=86.3％
计算时电池壳体内径取为13.3mm。
以上数据是根据前面指定的1100mAhAA型密封MH-Ni电池设计的。通过计算发现其装配比为86.3％，在通常所说的80％～90％之间，符合设计要求。
【例2】根据用户要求开发综合性能优越、电池直径为13.9士0.2mm，高度为63mm的电池，电池的额定电压1.2V。
采用第二种设计思路。
(1)选定参照基准
假定[例1]中所定参数为一已通过检验确认为设计合理、综合性能优良的已成型的设计参数，则选定[例1]中的AA型电池为参照基准电池。
(2)正负极片高度的确定
基准电池剩余高度=基准电池高度一基准极片高度=50.0一41.0=9.0mm
则 极片高度=电池高度一K1×基准电池剩余高度=63－ 1×9＝54mm
这里K1取为1。
(3)计算电极活性物质用量
基准电池有效容积=π／4×d2×基准电池极片高度＝π／4×13.32×41＝5693.2mm3
电池有效容积＝π／4×设计电池内径2×设计电池极片高度
＝π／4×13.32×54=7498.4 mm3
正(负)极活性物质用量＝
m+=7498.4／5693.2×5.23=6.89g
m一=7498.4／5693.2×8.06=10.62g
(4)极片厚度和长度的确定
因为本例中所设计的电池与参照基准电池内径相同，均属AA系列电池，而且没有特殊的设计要求，故可采用与基准相同的厚度和长度，即
正极片的厚度为0.58士0.02mm，长度为81mm。
负极片的厚度为0.37士0.02mm，长度为106mm。
(5)电池容量的计算
电池容量＝K4×
＝1×6.89／5.23×1100
＝1450mAh
这里K4取1。
(6)隔膜尺寸的确定
隔膜宽度=极片高度+(2～4) =54+4=58mm
隔膜长度=(正极片长度+负极片长度)×K5 = (81+106)×1=187mm
隔膜厚度一般为0.15～0.20mm之间，这里取0.18mm。
(7)计算电解液用量
设计电解液用量=
=1450／1100×2.39=3.15g
3.镍氢电池主要原辅助材料
3.1基体材料
3.1.1泡沫镍
3.1.1.1泡沫镍的性能参数
作为电极的骨架材料，泡沫镍的尺寸、性能对电池的生产及电池的最终性能都有重大的影响。表征连续化带状泡沫镍特性的参数很多，下面就其对电池的影响加以讨论。
（1）泡沫镍的尺寸
连续化带状泡沫镍的尺寸包括长度、宽度、厚度三方面，其长度、宽度是电极生产连续化的关键，厚度直接关系到电极的容量密度和均匀性。根据电池性能要求及制造电极的工艺不同，电池生产厂家选用不同的泡沫镍。与其它块状泡沫镍相比，连续化带状泡沫镍在电池的电极生产连续化方面尽显优势。
（2）孔率与平均孔径
孔率是指单位面积上的孔数，与平均孔径密切相关。泡沫镍电极主要优越性是基体本身孔率高，可以更多地承载活性物质，增加电池的体积比能量和质量比能量。孔率高即平均孔径小的泡沫镍可获得较大的电流输出，并可提高循环寿命；反之就降低循环寿命。普通泡沫镍成品的孔率在95%左右，而连续化带状泡沫镍的孔率>96%。
（3）延伸率及抗拉强度
延伸率及抗拉强度是连续化带状泡沫镍的塑性指标。以泡沫镍为骨架的多孔电极在制备时有压延过程，另外也有一些需拉伸、弯曲、卷绕的场合，均对泡沫镍的塑性有一定的要求。泡沫镍的延伸率及抗拉强度是电池能否大批工业化生产的关键因素。对泡沫镍延伸率及抗拉强度的基本要求是：正负极板在填充活性物质后的辊压、卷绕过程中电极不断裂。
（4）可焊性与外观
可焊性是指在泡沫镍基体上点焊极耳时的牢固程度。一般要求是：当极耳从泡沫镍基体上拉下时，在基体上应有熔斑，并且要有一定的抗拉强度。连续化带状泡沫镍外观的正常状态是呈金属银灰白色，表面不应有氧化物和其它深色斑点。通常外观正常的连续化带状泡沫镍其可焊性都较好。
（5）片式、连续化带状泡沫镍性能对比
国产片式泡沫镍的规格和主要性能如下： 镍>99% ，碳<0.25%；开孔率>99%；孔隙率>95%；面密度误差>30g/m2；厚度1.0～5.0mm；抗拉强度>120N/cm2；延伸率>5%；孔径200～500um；面积1m2左右；外观为银灰色，无氧化层、油层。国产连续化带状泡沫镍主要性能指标见表1。
表1 国产连续化带状泡沫镍主要性能指标
孔隙率 >96％
厚 度 （1.1～2.5）±0.05mm(可按要求提供)
面密度 （400～500）±30g/m2(可按要求提供)
抗拉强度 纵向：>150 N/cm2；横向：>100 N/cm2
延伸率 纵向：>5％；横向：>12％
宽 度 （50～850）±0.5 mm (可按要求提供)
包装规格 长度100～250m
连续化带状泡沫镍与片式泡沫镍相比，有如下优点：
a.面密度均匀，均一性比较容易控制，因此能满足高品质氢镍电池的需要。
b.长度可满足电池生产机械化和自动化的需要，这是片式泡沫镍所不可比拟的，而且有利于保证电池极板的质量。
c.作为氢镍电池活性物质的载体，其高孔率的三维网状结构形式，既能满足氢镍电池高容量的需要，又能满足电池大电流放电的需要。
总而言之，连续化带状泡沫镍在面密度均匀性和电池连续化自动生产方面均处于优势地位，是我国电池行业未来发展的趋势。
3.1.1.2.泡沫镍的制造方法
(1) 浆料烧结法
将金属镍粉调成悬浮体注入到一定的开孔材料(如泡沫塑料) , 除去有机介质, 将金属粉末粒子烧结在一起;
(2) 粉末烧结法
将镍粉混合到发泡树脂中, 形成含有镍粉的发泡体, 然后将发泡体切成薄带, 焙烧薄带, 除去树脂;
(3) 泡沫塑料电镀法
以泡沫塑料为骨架, 经导电化处理后, 再电沉积镍。其中泡沫塑料电镀法工艺简便, 制得的泡沫镍孔隙率最高, 因此获得了最广泛的应用。
尽管自20 世纪80 年代以来, 日本、美国、法国等国家就针对片式泡沫镍的不足, 研究了连续泡沫镍的制造技术, 并发明了大量的专利, 但直至1997 年, 全世界也只有上述3 国能够生产连续泡沫镍。1997 年加拿大INCO 公司的连续泡沫镍中试生产获得成功, 1998 年中国的长沙力元公司, 在国内率先开发出连续泡沫镍产品。目前世界上生产连续泡沫镍, 大多是采用以泡沫塑料为骨架, 经导电化处理后, 再电沉积镍的方法[5-18]。其具体工艺过程为: 聚氨酯泡沫→导电化处理→电沉积镍→热解、还原→剪切→质检→包装。
3.1.1.2.1泡沫塑料基体
泡沫镍之所以获得广泛的应用, 与其独特的三维网状结构是分不开的。而它的结构又是原始泡沫塑料结构的翻版。因此泡沫塑料基体是至关重要的, 它直接影响泡沫镍的结构和性能。生产片式泡沫镍一般采用的是聚醚型聚氨酯泡沫塑料, 其开孔采用化学法;而生产连续泡沫镍采用的是机械爆破开孔的聚酯型聚氨酯泡沫塑料。泡沫塑料是由具有五边形窗的十二面体结构单元组成的(见图1)[19]。在聚氨酯泡沫发泡过程中, 由于重力的影响, 以及泡沫切割过程的影响, 决定了聚氨酯泡沫的结构是不规则的, 会产生拉长的十二面体。泡沫塑料切割技术有2 种:
(1) 卷切