汽车动力电池用泡沫镍技术总结报告

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摘 要：本项目课题是研究适用的汽车动力电池用泡沫镍加工工艺技术，主要解决汽车动力电池用泡沫镍制造过程中基体材料的选择及导电化处理、镍层厚度沉积的控制、沉积的杂质含量控制等难题、并研制开发适用的工艺设备。

关键词：汽车动力；电池；泡沫镍；技术；总结；报告

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2015）13-046-03

技术创新点及难点

本课题的技术创新点就是在现在的泡沫镍生产技术上进一步控制泡沫镍中杂质含量，并通过适当调整工艺参数，控制厚度方向镍层的沉积比例，生产出汽车动力电池用泡沫镍，使泡沫镍能够满足大功率二次电池的性能要求。

难点是研究泡沫镍沉积工艺、杂质控制、材料选型和工艺技术，保证生产泡沫镍良好的性能。

研究中关键问题的解决与探讨

一、HEV用泡沫镍的要求

1、面密度：适当面密度均值以及良好的分布；

目前HEV用泡沫镍的面密度范围：300g/m2～500g/m2；

成熟的应用：420g/m2以及500g/m2等规格。

2、DTR：电池寿命的重要影响因素，DTR越趋近于1，电池性能越为良好。；

3、杂质含量：电池性能的重要影响因素，杂质可能会导致电池的短路，例如Cu，Fe，尤其是HEV应用更是如此；

4、孔径（PPI）：HEV高功率以及低的内阻的需求，孔径应适当偏小；

5、厚度：电池加工性和电池性能的有机结合，厚度在1.3mm到1.7mm之间，若选择孔径较小的泡沫镍，则应适当降低厚度。

6、良好的导电能力：

通常要求泡沫镍的电导≥200simens/。

二、天宇动力型泡沫镍的特点及研究

1、面密度

可生产的动力型泡沫镍的面密度范围：280g/m2～500g/m2；

面密度分布的均一性 ，以320g/m2为例

2、DTR

DTR，即Differential Thickness Ratio， 用于表征泡沫镍厚度方向镍层沉积的均匀性。HEV电池的工作环境及电池寿命对DTR的要求更为严格，理论上认为：DTR越趋近于1，电池性能越为良好。

差的DTR会导致：

内部坍塌变形；

涂浆不均匀；

内部镍层过早腐蚀；

内阻变高等；

专利文献显示，DTR趋近于1、电池的容量越高。

天宇公司泡沫镍的微观照片：厚度方向上的镀层均匀

3、泡沫镍杂质含量

控制杂质含量会对电池的性能带来一定的好处；

对Ni-MH电池而言，杂质可能会导致电池的短路，例如Cu，Fe，尤其是HEV应用更是如此。

天宇公司严格控制生产过程中金属杂质的带入，从原料的采购，到生产的控制，成品的检验，建立了一整套完整的监督、检验与控制制度，并严格执行。同时采取严格的铜粉尘控制程序来管理日常的生产操作以避免生产过程中的铜屑带入产品。而且对生产线进行改造，设立无铜线。

4、泡沫镍孔径/PPI

目前HEV用泡沫镍的孔径和常规电池用泡沫镍比，孔径相当或偏小，即PPI相当或偏大，天宇公司针对泡沫镍孔径对电池性能的影响做了一些研究，发现基于较小孔径泡沫镍的电池在电性能上有一定的优势。

5、泡沫镍厚度

天宇公司可生产的泡沫镍厚度：1.2mm到1.9mm。

泡沫镍厚度的选择主要根据电池设计的需要，在极板厚度一定的条件下，从增加导电骨架的角度考虑，需要厚一点的泡沫镍，但从控制DTR以及膜层厚度的角度考虑，需要泡沫镍的厚度薄一些。因而，综合考虑，若选择孔径较小的泡沫镍，则应适当降低厚度。

6、良好的导电能力

三、产品技术指标

普通泡沫镍材料如海绵状泡沫镍材料作为具有多孔的金属镍网板，可作为电池正、负极板的集流体和活性物质的载体，但由于普通泡沫镍的制作工艺、成份组成的限制，对提高电池的容量、充放电能力、放电电流等有较大难度，很难适应动力电池的发展需求。为适应市场上动力电池的研发需求，交通集团天宇公司的技术中心组织精干力量研制开发了一种主要用于动力镍氢电池的新型泡沫镍材料―汽车动力电池用泡沫镍，本产品能够明显改善电池性能，提高输出功率，充放电循环寿命与快速充电能力，提高耐过充放电能力，是大电流动力电池的优选材料。其主要技术指标如下（以320g/m2，1.7mm厚度，130PPI产品为例）：

序号 指标名称 指标数值

1 厚度 ±0.05mm

2 抗拉强度 纵向 ≥95N/ cm2

横向 ≥70N/cm2

3 延伸率 纵向 ≥5%

横向 ≥10%

4 柔韧性 Φ25棒卷绕 6次

对折180°展开 无裂纹

5 产品合格率 95%

6 面密度误差 ±20g/m2

7 产品DTR 1.2以下

8 杂质

含量

（%） 元素 国标 实测结果

C 0.030 0.009

Cu 0.010 0.0004

Fe 0.020 0.0041

S 0.008 0.003

四、汽车动力电池用泡沫镍技术解决方案

这种动力镍氢电池用泡沫镍的生产制备工艺为：

模芯 导电化处理

电沉积

热解处理

氧化还原

汽车动力电池用泡沫镍

1、模芯导电化

模芯可以是聚氨酯、聚酯型或聚醚型，该材料是末端带有两个以上羟基的聚酯多元醇或聚醚多元醇和二异氰酸酯、水、表面活性剂、催化剂及其他添加剂发生聚合反应后形成的在主链上含有许多重复的-NH-C-O-基团的高分子化合物，俗称聚氨酯海绵；模芯也可以是尼龙、聚丙烯等化学纤维或棉织纤维纺织品的网状材料等。

模芯的导电化处理采用磁控真空溅射技术工艺过程为：

海绵 上卷 抽真空

磁控溅射镀镍

卸卷 导电海绵

整个过程为机械自动化流水作业。

2、电沉积

模芯经导电化处理后以特殊的电沉积方式进行电铸，形成泡沫镍，电沉积方式为连续化带状的连续作业方式，。工艺流程图如下：

导电海绵 接卷 收卷 半成品

预镀 检测

主镀 清洗 风干

原料镍采用低杂质含量的镍珠/镍板，镍板在加入前分切成25mm×25mm小块，原料的低杂质含量，保证了电沉积半产品的纯度，镍珠和小块镍板的加入，提高了阳极一致性，保证了面密度的一致性；自制的电沉积设备，大流量外循环过滤与内循环相结合，保证了镀槽内各部分镀液成份均匀一致；合理的循环管路设计，使电镀过程中产生的气泡及时排出，使氢脆对泡沫镍的影响减少到最小；镀槽内部独特的结构处理，避免了在电镀过程中的上镀时间不统一，同时也减小了泡沫镍片的边缘效应，使泡沫镍片均匀上镀，保证面密度均匀，面密度的合格率达到97%以上；镀槽特殊的结构、镀液的充分循环和合理的电流分配控制，保证产品的DTR分布均匀；槽液通过溢流装置控制液位的稳定；温度、PH值等控制探头的使用，可实时检测镀液工艺参数的变化并通过中央控制柜自动调整；泡沫镍片出槽后经过一级出槽清洗和二级水洗槽连续循环清洗，既避免了镀液成份的流失又进一步净化了泡沫镍片；连续化无接触面密度检测仪的后续检测，为面密度控制提供了可靠数据；化验室24小时不间断镀液成份监控，严格控制其成份在工艺范围内；工程技术部24小时全程技术服务，随时解决生产过程中发现的各种技术问题。这些措施的系统作用，最终保证了产品性能的可靠性与稳定性。

电沉积生产工作原理简图如下：

电沉积槽液的工艺参数如下：

硫酸盐型：

硫酸镍（NiSO4・7H2O） 180―300g/l

氯化镍（NiCl2・6H2O） 20―50g/l

硼酸（H3BO3） 30―45g/l

温度 40―55℃

PH值 4.0―4.5

3、热解氧化还原

该工艺过程是将仍存留在泡沫镍内部的海绵骨架通过明火燃烧的方法加以清除，热分解方法为氢气燃烧法。经热解处理过的泡沫镍进一步高温氧化处理以除去海绵的残留物、积炭，然后在氢气氛围下还原烧结，改善其晶格结构，最终得到性能良好的泡沫镍。其工艺流程如下：

半成品热解海绵氧化还原退火工序成品

采用氢气燃烧法，可控制泡沫镍产品的C含量在100ppm以下。