锌镍电池：新型高性能绿色二次动力电池，性能优越价格低廉

锌镍电池：新型高性能绿色二次动力电池，性能优越价格低廉

镍锌电池

锌镍电池是由锌电极和镍电极组成，既具有锌银电池中锌负极的高容量特性，又具有镍负极的高容量特性。

镍正极在镉电池中长寿命的优越性能，是一种新型高性能绿色二次动力电池。

电池负极一般采用放电ZnO|Zn、Zn+ZnO以及镍氢电池负极材料(高镍

氢化物含量)和目前商业化的锂离子电池正极材料(LiCoO

）明显低于

锌镍电池的性能特点是：工作电压高、能量密度高、

功率密度高、工作温度宽（-20～50℃）、无记忆效应、生产和使用过程中无污染

它被誉为真正的“绿色电池”，锌储量丰富，且价格相对便宜。

成为继铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂电池之后的一种高性能、廉价、实用的新型电池。

高性能绿色动力电池。

表1.1 现行功率型（高功率型）二次电池主要性能比较

电池

类型

工作功率

按 V

比能量

体重公斤

-1

比功率

韦克

-1

循环寿命

生活

问题

锌镍1.2-1.650——300循环寿命短。

镍镉1.0-1.230-有记忆效应，镉污染环境，

高温下充电性能不佳。

NiMH 1.260-70100 - 成本高（低电压记忆效应，需要

专用充电器），高温充电性能好

不同之处。

铅酸1.5-1.825-35150--450体积大，比能量低，寿命短，容量高。

易腐蚀，铅污染环境，环保

表现不佳

锂离子

儿子

3.6120--成本高（放电特性曲线非线性

必须使用专用充电器。

钴酸锂

锂离子电池正极用

诚信问题仍有待解决。

2 国内外锌镍二次电池发展概况

锌镍电池的研究已有几百年的历史，最早可追溯到1887年邓和

20 世纪 20 年代末至 40 年代初，德拉姆 (Drumm) 申请了德国锌镍电池专利。

进一步研究的是锌镍电池，用于照明和驱动火车，但电池寿命有限。

20世纪50年代，苏联科学家研究锌镍电池，得到比能量为46.2Wh。

公斤

-l

，电池的循环寿命约为24-70次。自20世纪60年代以来，世界各国投入了大量的人力、物力，

对锌电极添加剂、电解液添加剂、隔膜、充放电系统等进行了大量的研究。

1973 年后，能源危机促使美国发展电动汽车，锌和镍

电池投资巨大，目前许多公司都参与了锌镍电池的研究，其中包括 、 Burke

此外，

日本的汤浅、松下、三洋，以及韩国的三星综合技术研究院都在研究锌

镍电池已得到开发并取得一系列专利，国内高校和企业在锌镍电池的研究和生产方面也取得了很大进展。

很多报告。

（1）美国锌镍电池研究概况

采用新的锌电极电化学体系，降低锌电极放电产物的自放电。

使锌电极溶解稳定化，使锌镍电池循环寿命达到600-1000次。

其特点是降低电解液中KOH浓度以减少ZnO的溶解，同时添加支持电解质。

如硼酸钾、磷酸钾、砷酸钾、偏硼酸钾、硼酸钠以及氟化钾、氟化钠等，以补充碱度

消耗，确保电化学反应

由于电解液中氧化锌的溶解减少，

可保持氧化锌的电化学活性，减少锌电极的变形和枝晶生长问题。

该公司于1989年和1990年试制的锌镍电池已接近实用要求，电池寿命可达

达到600多次。

美国经过多年研究，提出采用氧化锌和氢氧化钙、氢氧化钡或

采用氢氧化锶、或锌酸钙直接作为锌电极活性物质，并加入多种添加剂

氧化铋、氧化铅、氧化铟等技术。正、负极采用塑料粘合辊压制备。正极隔膜为

3层微孔聚丙烯膜。负极隔膜为2层吸液尼龙材料，例如。

电极之间有PTFE膜，便于气体传输。基于锌镍电池性能的显著提高，美国

该国已建立合资企业生产

密封型锌镍二次电池。世界上第一个也是唯一一个产品

镍锌电池生产厂家，产品包括，等类型，主要

它作为电动摩托车、轻型电动车、电动自行车三类产品的动力源。

在1/3C放电电流、80%放电程度下，电池循环寿命可超过500次。

次，比能

-1

，使用该产品的电动汽车一次充电续航里程可达200​​km。

劳伦斯伯克利国家实验室于 1980 年开始对电力牵引用锌镍电池进行研究。

他们制备的单体电池为两个镍电极夹着一个锌电极，正负极理论容量比为1：3。

锌电极由93％的氧化锌、2％的氧化铅、1％的新闻纸和4％的聚四氟乙烯（PTFE）组成。

集流体为涂铅铜网，三层聚丙烯微孔膜（）包裹锌电极，每层单独密封。

正极用无纺布尼龙（Peron 2524）包裹。不过，电池的主要改进是添加了氟离子，

该电解液能将氧化锌的溶解降低至一般强碱性电解液的水平。

20-25%。从而显著减少电池锌电极的变形，抑制锌枝晶的生长，减少电池容量损失。

损耗仅为0.09%/循环。为了吸收充电过程中产生的氢气，降低电池内压，锌镍

在电池中添加一个辅助电极，即含有铂催化剂的小型燃料电池电极，可以促进氢和氧的结合。

该公司的锌镍二次电池比功率为200-

-1

，充放电循环寿命从75-100

寿命要由500次提高到1000次，镍电极也需作相应的改进。

應該加以改進。

研制出平均容量为23.5Ah的锌镍电池，其技术特点是负极

添加氢氧化钙、四氧化铅、超浸润材料聚乙烯作为粘结剂，集流体为铅锡合金。

然后将制备好的负极用滑石粉和醋酸钙进行热封，正极则用一层氧化铝进行处理。

热封。电解液KOH浓度降至20wt.%。正负极容量比为1:3。电池寿命为

少了300倍。

（2）日本锌镍电池研究概况

松下对镍电极、振膜、辅助电极等进行了重点改进。

纤维状石墨，人造弹性粘结剂。镍电极的结构比较特殊，是多层结构：Ni(OH)

该材料粘附在导电集流体上，细碳粉覆盖活性材料层，疏水聚合物层覆盖

在碳（石墨）层之上。粘合剂包括羧甲基纤维素（CMC）、聚乙烯醇（PVA）、氟化聚

化合物、橡胶、水玻璃等。隔膜由无纺布尼龙作为电解质载体和微孔膜聚烷基砜制成

此隔膜可降低电池充电时的内部压力。为了进一步降低密封电池的内部压力，

在电极顶部或容器内壁加设辅助电极，采用铂族金属或吸氢合金，使氢离子

吸收气体并添加疏水树脂。

三洋的锌电极采用粘合法制成，并含有高析氢过电位的添加剂。

研究发现，碱土金属-锌合金可以抑制枝晶的形成，并专门研究了氧化铊（T1203）作为添加剂。

隔膜为多层复合隔膜，包括无纺布尼龙布和疏水性微孔膜聚丙烯。

烯烃，在部分微孔聚丙烯膜上包覆一层聚氧乙烯烷基脂肪酸胺。

2001年，该公司还获得了圆柱形锌镍电池的专利。其电池结构类似于

碱性锰电池类似。

该电池公司为电动汽车开发的大尺寸密封锌镍电池，比能量达到72Wh/kg

-1

，存在

80%放电深度的循环寿命为180，对于移动电子设备用的小型电池，容量为，

锌电极的主要特点是添加了镉（cd）和铊（T1）的氧化物等添加剂，并添加了精炼

细铜粉。这种锌电极具有抗变形和枝晶生长的特性。该公司开发了一种新型密封锌镍电池正极和隔膜。

还进行了深入的研究和改进，在正极中添加镧、钴的氢氧化物，防止氧化和溶解。

纤维状石墨或碳。

1973年，汤浅公司生产了500Ah锌镍电池，近年来还生产了小型

YN210-6密封锌镍电池组。样品电池标称容量30Ah，标称电压1.7V，重量8.4kg。

尺寸：178mm×66mm×173mm，循环次数：400次，比能量：65Wh·kg

-1

活性材料

所述锌粉粒径为10～25um，ZnO粒径≥0.3um，所述锌电极集流体为10～40wt.％Cu-Sn合金。

由金制成，孔隙率为40.7%，呈蜂窝结构。

指出，阳极液载体宜采用无纺布、聚丙烯或尼龙，含纤维素的

3层组合隔膜厚度≤100um，平均孔径≤1um，中间层热膨胀

膨胀系数最好与两侧隔膜不同，电解液占据电极孔隙的98-110%，用量为0.2-1毫升

(毫安时)

-1

（阳极容量）或0.4-2ml（mAh）

-1

（阴极容量）。

（3）韩国锌镍电池研究概况

韩国三星综合技术研究院开发出单体电池容量为180Ah的密封锌镍电池。

该电池重量约300公斤，总电压为180伏，比能量为65瓦时公斤

-1

，比功率为220W kg

-1

，

循环寿命约为300次，该电池主要用于电动汽车，每次充电可行驶200公里。

采用烧结镍电极作为正极，容量为201Ah，采用聚丙烯无纺布作为隔膜。

锌极负极，容量576Ah，聚丙烯无纺布包裹3层微孔聚丙烯膜作为负极

隔膜。

他们提出的三步充电系统可以显著降低充电后电池的内压。

[35-36]

。

步骤1：0.15C充电至60％SOC（充电程度）；

步骤2：0.05C充电至85%SOC；

步骤 3：以 0.03 C 充电至 90% SOC。

（4）欧洲锌镍电池研究概况

近日，有报道称，欧洲一家公司（SCPS）在锌镍二次电池研究方面取得了突破。

生产的锌镍电池比能量为80-120Wh/kg

-1

，在C/5放电率和80% DOD（放电范围

2000度循环寿命高于1000次。

其锌镍电池技术具有三大特点：

（a）集流体为三维网络结构泡沫铜，活性物质附着于其上；

（b）在负极中添加导电陶瓷颗粒，在活性材料内部形成第二个微导电网络：

（c）使用与陶瓷颗粒相关的特殊添加剂来将锌酸盐保留在阳极上并防止其溶解。

（5）中国锌镍电池研究进展

在中国，锌镍电池的主要商业化生产由厦门三全益而希公司进行，该公司使用美国能源

该公司采用自有技术生产锌镍电池，并开发了5Ah、10Ah电池。

方形和圆柱形锌镍电池，但目前这两家公司都没有生产。

该公司自 2005 年起一直为美国公司生产锌镍电池。

电池有限公司等

此外，近年来国内许多高校和科研机构也致力于锌镍电池的研究和开发。

高校及科研机构方面，有浙江大学、武汉大学、天津大学、浙江工业大学、天津

18所研究所等单位均有相关研究报告。目前国内对锌镍电池的研究主要集中在锌

包括两方面：电极添加剂和电解液添加剂。