用于电池的电极基片及其制备方法技术

公开了一种电池用电极基片，用作电池收集极中所用活性物质的载体，包含一种金属多孔结构，该结构具有孔隙率不低于９０％的互连孔，每厘米孔数不低于１０，且具有Ｆｅ／Ｎｉ双层结构，其中Ｆｅ构成组成该多孔结构的多孔体骨架的内层，骨架表面部分用Ｎｉ涂覆。优选构成骨架内层的Ｆｅ的纯度不低于９８％（重量）且Ｆｅ含量不大于１０％（重量）的镍涂层厚度为０．１－１０μｍ。通过使用多孔树脂作基体形成Ｆｅ金属多孔体、用Ｎｉ对该金属多孔体进行电镀、热处理该电镀体将Ｆｅ扩散层厚度与Ｎｉ涂层厚度之比调节到不大于０．６５。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于碱性蓄电池如镍-镉电池、镍-锌电池和镍-氢电池的电极基片。业已用于各种电源的蓄电池是铅蓄电池和碱性蓄电池。在这些电池中，碱性蓄电池业已广泛用于各种使用小电池的便携式装置和使用大电池的工业中，因为可以预料到高可靠性且也可以降低尺寸和重量。在碱性蓄电池中，除镉之外使用锌、铁、氢等作负电极。另一方面，尽管空气电极或氧化银电极业已部分地被接受，但在大多数情况下正电极为镍电极。从袖珍型转化为烧结型导致碱性蓄电池的性能得以改进，且气密封接成为可能扩大了碱性蓄电池的应用。同时，具有不低于90％高孔隙率的泡沫状或纤维状Ni基片业已用作电池的电极且有助于电池电容的增加。作为制备上述具有高孔隙率的多孔状Ni基片的方法，已知有一种日本专利公开号57-174484公开的电镀法和一种日本专利公告号38-17554公开的烧结法。在电镀法中，泡沫树脂如聚氨酯泡沫的骨架表面用碳粉或类似物涂覆，以赋予该树脂以导电性，通过电镀将Ni电淀积在树脂的导电表面上，然后除去泡沫树脂和碳，从而制得金属多孔体。另一方面，在烧结法中，将淤浆化镍粉浸渍到泡沫树脂如聚氨酯泡沫的骨架表面，然后将浸渍过的泡沫树脂加热以烧结Ni粉。如上所述，将Ni多孔体应用于电池的电极基片大大有助于电池电容的增加。然而，金属Ni价格昂贵，而且在将上述碱性蓄电池用于未来的电动汽车时，预计Ni的用量变得很大，从而出现资源问题。本专利技术已通过采用Fe/Ni双层结构解决了上述问题。关于具有Fe/Ni双层结构的金属多孔状结构，例如在日本专利公开号2-93006中已公开了此类结构用于杀菌目的。在该出版物中公开的结构通过如下方法制备用聚氨酯泡沫作骨架，用Fe粉涂覆聚氨酯泡沫，再用Ni、Cr和/或Cu的捏和产物在Fe表面进行面涂，并在用于热处理的炉中加热该涂覆了的聚氨酯泡沫，从而在Fe骨架上得到Ni、Cr和/或Cu的耐蚀涂层。此外，再将一种具有杀菌活性的金属(Au，Cu和/或Ag)通过电镀、浸涂、热喷涂或类似方法施涂于其上。此时，因该结构用于杀菌目的，所以该结构具有双层结构，即一Fe层和一具有杀菌活性的金属层，或具有三层结构，即一Fe层，一耐蚀涂层和一具有杀菌活性的金属层。它与本说明书中的电池基片不同，因而其本身不能用于电池基片。如上所述，关于具有Fe/Ni双层结构的传统金属多孔结构，该结构用于杀菌目的例如在日本专利公开号2-93006中公开。然而，该现有技术本身并不能用于电池的电极基片。具体而言，具有Fe/Ni双层结构的金属多孔体在用作电池的电极基片时所要求的性能包括(1)大大影响活性物质填充量的孔隙率，即决定电池的充电-放电能力的因子，应该高；(2)决定活性物质的集电性能的电阻应该低；和(3)应防止因腐蚀而流出的Fe对电池工作特性的影响。只有这些不同性能得以严格控制的金属多孔体能用于电池基片。在上面引用的用于杀菌目的的技术中，对应于上面(1)的孔隙率并未确定。关于上述的(2)，构成骨架的金属的纯度很重要，而且对于作为主骨架的铁部分需要特别高的纯度。然而，在现有技术中，原料粉末具有高C和O含量，从而不可能提供电池极板所需的低电阻。此外，该现有技术也没有确定上面的(3)。由于以上原因，该现有技术本身的应用并不能提供电池所期望的性能。本专利技术涉及一种用于电池的电极基片，它作为用于电池收集极中的活性物质的载体，包含一种金属多孔结构，该结构具有孔隙率不低于90％的互连孔，每厘米的孔数不低于10，且具有Fe/Ni双层结构，其中Fe构成组成该多孔结构的多孔体骨架的内层，骨架表面部分用Ni涂覆。由具有孔隙率不低于90％且孔径小，即每厘米的孔数不低于10的互连孔的金属多孔结构构成的Fe/Ni双层结构导致保持电池的活性物质的能力得到改进，从而能使较大量的活性物质填充到该结构中。这反过来又改善了电池的充电-放电循环寿命和电容。电镀最适合于用Ni涂覆Fe。此时，优选将镍镀层均匀施于Fe多孔体上，暴露的Fe部分的表面积基于该多孔体的总表面积不超过10％。暴露的Fe部分的比例应基本为0。然而实际上在其实际制备中难以将该比例降到0，且Fe的一定程度的暴露不可避免。然而该暴露的Fe部分受电池中的碱性电解质的化学浸蚀，因Fe的流出而引起自放电，损害使用寿命，因形成钝态膜而损害集电性能等。这导致电池工作特性降低。本专利技术人研究了基于多孔体总表面积的Fe暴露部分的面积对电池工作特性的影响，结果发现Fe暴露部分的面积比不大于10％并不显著损害电池工作特性。当铁暴露部分的面积比不大于3％时，Fe的流出也可得到抑制，从而提供较好结果。根据本专利技术，用Ni涂覆Fe，且在Fe/Ni双层结构中，镍涂层厚度TNi与扩散到镍涂层中的铁扩散层厚度DFe优选满足下式所示关系0＜DFe/TNi≤0.65这可在用Ni涂覆Fe之后通过热处理条件而控制。当仅形成Fe/Ni双层结构时，由此形成的Ni涂层硬且不能伸长，从而在组装电池步骤中出现涉及活性物质填充的问题以及在运转如电极的卷绕中出现断裂等问题。这些问题的解决需要热处理。然而热处理不可避免地导致Fe扩散到Ni层中。Fe扩散引起的Ni和Fe的合金化导致电阻增加。尽管热处理是必需的，但当Fe扩散层厚度与Ni层厚度之比超过65％时，因Ni与Fe的合金化出现电阻增加，机械性能降低以及耐蚀性降低。通过控制热处理温度和时间可容易地控制铁往镍涂层中的扩散。尽管热处理条件随镍涂层厚度而变，但优选热处理温度为700℃或低于700℃，热处理时间为1-30分钟。Ni中Fe含量的增加导致电阻因Ni和Fe的合金化而增加，同时损害作为机械性能的伸长性能。当Fe含量进一步增加时，耐蚀性也变差。为此，Ni涂层中Fe含量优选不大于10％(重量)。更优选Fe含量不大于4％(重量)。因为本专利技术中所用的Fe在电池的极板中作为电流通道，所以电阻越低结果越好。为达到这一目的，优选Fe骨架的内部不低于98％(重量)由Fe构成。另外，当杂质量大时，Fe骨架部分的强度性能中的伸长性能变差，从而使得很难装配电池的极板。为此，也优选Fe骨架的内部不低于98％(重量)由Fe构成。此外，Fe暴露部分以外的镍涂层厚度为0.1-10μm对成本来说是有益的；同时能提供耐蚀性能令人满意的金属多孔体。当厚度低于0.1μm时，耐蚀性不能令人满意。另一方面，当厚度超过110μm时，镍的用量变大，这就背离了本专利技术的目的，即提供成本合理且能解决资源问题的金属多孔体。更优选镍涂层厚度为0.1-5μm。上述具有Fe/Ni双层结构的金属多孔体可通过如下方法制备使用多孔树脂作基体形成Fe金属多孔体，用镍对该金属多孔体进行电镀以形成镍涂层，和热处理已电镀的金属多孔体，以调节扩散到镍涂层中的Fe扩散层厚度与镍涂层厚度之比至不大于0.65。关于本专利技术所用的Fe金属多孔体的生产，用金属Fe粉涂覆多孔树脂然后烧结最适于这一目的。当然，聚氨酯泡沫最适于作为该多孔树脂。然而，也可以使用无纺织物。此外，也可使用如下一种方法，其中用碳或类似物涂覆上述基体，以赋予该基体导电性能，再用Fe镀覆该涂覆的基体。该基体也可以是碳纤维的无纺织物。用作金属多孔体的基极层的Fe价格不贵且资源丰富，因此可以低成本大量用作电池的电极基片。在Fe表面上的Ni涂层是重要的，因为其在用于碱性电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池用电极基片，用作电池收集极中所用活性物质的载体，它包含一种金属多孔结构，该结构具有孔隙率不低于９０％的双层结构，其中涂覆。双层结构中暴露部分的表面积占多孔体整个表面积的不大于１０％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：原田敬三，渡边贤一，山中正策，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]