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1、郑州轻工业学院镉镍电池镉镍电池是 1901 年由瑞典人发明的，至今已有近百年的历史，作为能源系统，为人类的文明发展作出了不可磨灭的贡献。镉镍电池的发展经历了如下几个阶段：第一阶段是用作牵引、启动、照明及信号电源的袋式电池。第二阶段式五十年代开始的烧结电池，用于大电流放电和和各种引擎的起动，包括坦克、飞机、火车等。第三阶段是六十年代开始的密封电池，例如人造卫星能源系统是采用太阳能电池和密封镉镍电池相匹配，共同使用。第四阶段是九十年代的泡沫镍电极技术的应用，使电池的容量大大提高，生产工艺简化，成本降低，使镉镍电池进入一个新的发展时代。由于镉镍电池经历了百年的发展，其品种规格繁多，用途不一。价格也相
2、差较大。为使用户选到合适的电池，下面介绍镉镍电池的分类和各类电池的主要用途。一 镉镍电池分类和用途1 按电池的外形分为：方形（F） 、圆柱型（Y） 、扣式（B） 。用户可以根据自己的用电设备和为电池预留位置选用不同形状的电池。2 按电池的封口结构分为：开口式电池、液密式电池和气密式电池。开口式电池主要是方形电池，一般是用在位置固定的环境中，该类电池需要定期补加电解液或蒸馏水；液密式电池可在任意位置工作，不向外释放电解液，但会在过充电或其他特殊环境情况造成内部压力增大，并向外释放气体，以保护电池的安全；气密式电池既不向外释放电解液，也不向外释放气体。但造价昂贵，只有在特殊的情况下使用。如卫星的能
3、源系统。3 按输出功率分为：超高（C）倍率电池、高（G）倍率电池和中（Z） 、低倍率电池。超高倍率、高倍率电池能快速充电，可用于启动电器，即大电流短时间放电，但价格较高；而中、低倍率电池的快速充电性能不如前者，适应于功率较小，长时间工作的用电设备，价格较低。4 按电池的内部结构和极片制造方法分为：袋式电池、烧结式电池（包括箔式和板式） 、粘结式电池及泡沫式电池。由于镉镍蓄电池的内部结构和生产工艺不同，其性能差异也较大，用途也不同。内部结构区别在电机制造工艺上，由此而决定了电池的性能和寿命。下面做简要介绍，以达到经济、合理选用。（1）镉镍袋式蓄电池袋式镉镍蓄电池电极加工比较典型，已有几十年的历史
4、。制造方法是将正极活性物质 Ni(OH)2和 CdO（氧化镉）分别加入导电材料和添加剂，然后包在充有微孔的钢带盒中，再经拼条、压纹、包筋而成。袋式镉镍电池（也叫有极板盒式电池）是最古老的镉镍蓄电池。袋式镉镍电池极板强度好，可在较强烈的冲击、振动下正常工作。它的成本较低，寿命很长，但因它的极板厚而且有一定的屏蔽作用，故只能低、中倍率放电。目前，国内外都在大力改进袋式镉镍蓄电池的性能，采取提高钢带单位面积的穿孔数量，即减少穿孔的孔径，提高孔数，降低极板的厚度，提高蓄电池的放电倍率。（2）烧结镉镍蓄电池烧结镉镍蓄电池根据极片的形状、厚度又可分为全烧结箔式镉镍蓄电池。a 箔式电池 箔式电池又分为全烧结
5、箔式电池和半烧结箔式电池。全烧结箔式镉镍蓄电池，正负极均采用烧结多孔钢基板经浸渍填充活性物质 Ni(OH)2和 Cd(OH)2而成。全烧结式镉镍电池具有内阻小、功率高，适用于大电流放电的航空、电力等部门。半烧结箔式镉镍蓄电池，正极采用烧结多孔镍基板经浸渍填充而成。其内阻虽比全烧结镉镍蓄电池高，但也能做成高倍率蓄电池，成本比全烧结电池低，工艺简单。该类电池应用范围广泛，适用于各种便携式电台、无线对讲机的直流电源。b 板式电池板式电池镉镍蓄电池式我国生长镉镍圆柱密封蓄电池传统的生产工艺，主要用于生产低、中倍率的圆柱密封电池。该电池工艺成熟，质量可靠，寿命长，价格适中。该类电池广泛用于便携式、背负式
6、无线通讯设备。（3）塑料粘结式镉镍蓄电池这种电池的正极是将活性物质 Ni(OH)2导电剂石磨粉或其他导电物以及添加剂钴粉等，与粘结剂（常用聚四氟乙烯乳液）混合均匀的浆料，涂复在集流网上经辊压而制成的，或者先将浆料辊压成薄片，再复压到集流网上而成。负极可采用塑料粘结、电沉积镉等方法制成。另一种方式是将活性物质和低压聚乙烯做成粉状，然后用注塑的方法加工成极板。这种电池的耗镍量少，仅为烧结式电池的 50左右，因此成本低，而体积比能量又比烧结式电池高。但是这种电池因在电极中加入了粘结剂，所以内阻大，功率低，多用于中、低倍率输出的通讯设备、火车上的照明等。这种电极结构可做成圆柱密封电池，低、中倍率的方形
7、电池。（4）泡沫式镉镍电池泡沫式电极加工工艺是 90 年代才发展起来的一种新工艺，它是为适应电池重量轻、容量高、快充的要求而开发的一种高新技术。80 年代末，随着电子工业的发展，电子仪器越来越小型化，便携电子设备不断普及，对配套电池提出了重量轻、体积小的要求，通过开发研究成功了泡沫（或纤维）式电极加工工艺，它的工艺要点式将泡沫塑料（或化学纤维毡）通过化学处理电镀镍还原气体中烧掉有机物制成高孔率的发泡（或纤维）镍基体，再分别将正极活性物质 Ni(OH)2、或负极活性物质 CdO 与各种添加剂混合成膏，填充到多孔的发泡镍中，经烘干辊压剪切成正负电极，用这种正负电极做成的镉镍电池就叫做发泡（或纤维）
8、式镉镍蓄电池。这种发泡（或纤维）式镉镍蓄电池由于泡沫镍高达 95，空率高单位体积填充的活性物质多，因而可做成高容量电池，一般比烧结式电池高 30左右，且可用一倍率快速充电（1 小时将电池充足） ，但因为发泡镍空率高孔径大，Ni(OH) 2膨胀严重，寿命比烧结式蓄电池短，而价格相对便宜。泡沫镍式和纤维式电极的差别在于前者用的是聚氨酯泡沫作多孔体，后者用的是纤维毡作多孔体。因纤维毡电镀厚易形成毛刺或金属纤维，刺破隔膜造成短路，同时因价格问题，目前使用泡沫式电极较多。泡沫式电极可做成镉负极和镍正极，此用这种电极目前仅限于生产 3Ah 一下的圆柱密封电池。二 镉镍电池的电极技术发展电极是电池的核心，镉
9、镍电池也不例外。电极制造技术的进步是推动镉镍电池发展的关键。我国福镍电池电极制造技术发展大致经历了四个阶段。 第一阶段为袋式电极制造技术阶段。50 年代中期，在原苏联的帮助和我国第一代镉镍电池工程技术人员的努力下，掌握了有极板盒电极(又称袋式电极)的制造技术，生产出一系列镉镍袋式电池，填补了我国镉镍电池的空白，同时也满足了我国当时国防装备的配套需要。第二阶段为板式电极制造技术阶段。在 60 年代初期，我国科技人员依靠自己的力量，开发了无极板盒板式电极制造技术，即干法模压制造电极技术，正极为烧结电极，负极为压成式电极。这两种电极匹配俗称半烧结式，在当时国内外属于首创，使我国镉镍电池实现了小型化和
10、密封化。由于这两种板式电极制造技术的突破，才使我国出现了镉镍圆柱密封电池系列产品，由于这类产品的出现，才使我国通信装备向体积小、质量轻、小型化方向迈进一大步。这类产品以其成本低、性能稳定、可靠性高的特点，在国内各类电池竟争中畅销近30 年。第三阶段为箔式(含薄极板)电极制造技术阶段。70 年代末 80 年代初，我国科技人员在了解国外镉镍电池发展情况后，依靠自身的力量，研究了无极板盒箔式(含薄极板)电极制造技术，即湿法制造电极技术。氧化镍电极为烧结式，镉负极为烧结式和粘结式。由于箔式电极采用湿法连续生产，使生产效率提高，劳动强度降低，劳动环境改善，产品性能一致性好，同时箔式电极比袋式电极和板式电
11、极更适合大电流放电。因此，箔式电极发展很快，箔式镉镍圆柱密封电池、航空电池和电力部门用的方形电池大量涌现，生产的自动化使镉镍电池产量大幅度上升，镉镍电池得到很大发展，产品性能上了新台阶。第四阶段为泡沫电极制造技术阶段。80 年代末 90 年代初，我国镉镍电池的电极制造技术有较多的突破，如泡沫电极、纤维电极、电沉积镉电极、粘结镍电极等相继出现，可谓镉镍电池电极制造技术处于一个百花齐放的大发展时期，形成能适应不同用途需要的各类镉镍电池，但这个阶段的主流应是泡沫电极的出现。1 袋式电极1.1 袋式电极制造中的关键技术制造品质优良的袋式电极，主要取决于制造过程中的三个环节，即活性物质制造、穿孔钢带的孔
12、形和穿孔方法以及极板制造的工艺参数控制。1.1.1 活性物质制造技术袋式电极所用活性物质的制造过程虽然简单，但其工艺技术直接影响着物质的物理化学特性，各种工艺技术的控制均围绕着物质既具有高活性，又具有合适的颗粒分布和视密度，以利于活性物质向极板盒中装填，减少物质脱落，延长电极寿命。(1)氢氧化镍制造为了得到适宜的微粒尺寸和丰富的晶格缺陷，在氢氧化镍化学沉淀过程中必须控制碱过量，不仅要控制反应溶液中的总体碱含量，更要注意控制硫酸镍加入碱液中的流速，也就是达到局部碱过量，二者缺一不可。控制沉淀物干燥温度，可获得在干燥设备上设置了强制抽水蒸汽装置。同时采用共沉淀的方法加入 Co、Ba 添加剂和导电剂
13、，以提高添加剂的分散程度和颗粒内部的导电性，使活性物质利用率进一步提高。(2)负极物质制造负极物质中使用的氧化锅材料是金属镐在加热至沸点767以上时蒸发并遇空气氧化而成，氧化镉的氧化程度(颜色深浅可反映)对电极性能有很大影响，研究表明使用深棕色的较好。负极物质中使用的四氧化三铁采用化学法制造，用硫酸亚铁溶液和强碱反应生成氢氧化铁并经过氧化而成。进行反应时特别注意控制 pH 值使其始终保持在 29/L 一 5.59/L 的范围内，并控制铁盐过量，以利于控制四氧化三铁晶体和无定结构氢氧化铁(l)沉淀的比例，使反应生成物便于洗去硫酸根，经高温干燥还原后获得的四氧化三铁缺陷丰富，电化学活性也更高。制造
14、袋式镉镍电池的镉负极用的负极物质由氧化镉粉和铁粉组成，二者的比例直接影响电极的低温性能、自放电和浮充电使用性能，氧化镉含量高时电池低温性能要好些，一般情况下锡铁比例采用 Cd:Fe=1:l 一 2 .8:l。1.1.2 钢带穿孔技术袋式电极所用穿孔钢带基体厚度为 0.lmm0.08mm，穿孔方法有滚轮穿孔法和针刺穿孔法。滚轮穿孔时生产效率高，单位面积孔数为 240 个/cm 2一 400个/cm 2，孔为长方形，穿孔率为 10%一 25%。针刺穿孔时生产效率低于前者，单位面积孔数为 390 个/cm 2一 700 个/cm 2，孔为圆形，穿孔率为 18%28%。改变孔形状和穿孔排列使穿孔率改变
15、。此外，在滚轮穿孔时，采用打磨穿孔毛刺方法，可以降低极板成型时孔率减少。1.1.3 极板成型技术极板成型时需控制活性物质包粉填充密度和极板压纹时钢带穿孔收缩率，二者影响着电极的低温性能和电极寿命。活性物质包粉填充密度取决于极板厚度和电极放电负荷大小，一般来说，低倍率袋式正极厚度为 3.8mm 一 4.omm、包粉填充密度为 1.4g/cm2左右，负极厚度为 2.8mm 一 3.0mm，包粉填充密度为2.0g/cm3左右;中倍率袋式电极的极板厚度和活性物质包粉填充密度要低一些。袋式电极压纹时钢带穿孔收缩率一般控制在 40%左右，成型后极板钢带穿孔率应不低于 7。1.2 袋式电极特点袋式电极有着结
16、构坚固、耐受冲击振动能力强、低温放电性能好的特点，最突出的优点是寿命长和自放电小。缺点是体积比能量和质量比能量较其它几种电极低，大电流放电适应性差，需要的制造设备多。袋式电极材料便宜，成本价格低。1.3 袋式电极发展趋势(1)活性物质制造技术需要研究改进工艺方法并寻找新型添加剂，以进一步提高活性物质的性能(容量、利用率)。如目前国内外正在开发的球形 NiOH)2制造新工艺，满足高性能袋式电极的要求。(2)钢带穿孔技术目前还处于低水平，需要开发进一步提高穿孔率的新工艺和新装备。(3)高倍率袋式电极研究。目前国内袋式电极制造技术仅能满足低、中倍率放电要求，国外已研制出适应高倍率放电的袋式电极，国内也应加速研究，以扩展满足高倍率放电要求的市场。2 板式电极2.1 板式电极制造的关键技术2.1.1 基板制造烧结基板制造时使用的发孔剂多为碳酸氢铵，使用前要烘干，否则基板烧结后要产生裂纹。烘干时要控制适当温度，温度过高会发生分解。烘干后的碳酸氢铵暴露在空气中会吸潮，应尽量缩短烘干后至烧结之间的时间。板式电极基板制造使用电解镍粉，
