一種泡沫金屬板及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及新材料領域中的電池電極材料及其制造方法，確切的說，涉及與多孔鎳基材相關的泡沫金屬板及其制造方法。
【背景技術】
[0002]由于環境和能源方面的需求，電動車(EV)或混合動力車(HEV)已經逐步被推向市場，以減少能源消耗和減少污染排放物。本發明涉及的泡沫金屬板便主要用于這樣的車輛中。現有技術主要采用了密度分布均勻的泡沫金屬板，并且現有技術中用于制造泡沫金屬板的電沉積方法也都是力求在工藝過程中使密度分布均勻。例如，專利CN1725531、US5, 700，363、US4, 828，654、US5, 372，699 和 US6, 027，631 中都涉及這樣的技術。但是，目前的EV和HEV存在電池系統功率低、重量大的缺陷。

【發明內容】

[0003]為了克服上述缺陷，本發明提供了一種與多孔鎳基材相關的電池電極材料，這個基材的密度在一定寬度范圍內呈梯度分布，且有可變的電導率。
[0004]本發明的泡沫金屬板為三維網狀結構，在橫向上面密度分布為梯度且呈周期性變化。如圖3,以基材橫向位置為橫坐標，以面密度(g/m2)為縱坐標,在基材同一橫截面上,各處面密度隨著基材橫向位置的不同而呈現梯度變化。在A線所在位置處的面密度為D1，在B線所在位置處的面密度為D2，D1范圍從100g/m2到500g/m2，D2范圍從200g/m2到100g/m2，寬度Wl，W2均可按照電池極板尺寸的設計要求變化，且Wl的范圍從20mm到500mm，W2從4mm到50mm。該泡沫金屬板的每英寸長度上的孔數為50 — 150個，即50 — 150PPI，表觀平均面密度(即指一個完整的面密度梯度變化周期所涵蓋區域的平均面密度值，即圖中從左側的A線位置處到中間的A線位置處所包含的全部區域的面密度的平均值)從150g/m2到750g/m2，其外觀形狀為板狀或者帶狀，板狀材料厚度為0.5mm到5mm，帶狀材料厚度為0.5mm 至Ij 5mm。
[0005]本發明的另一發明目的在于提供一種用于制造上述泡沫金屬板的方法，其中用到的主要技術是電沉積技術。
[0006]泡沫金屬板的制造工藝是將導電化的材料進行電沉積，具體地，通過采用異形陽極的方法，經過電沉積形成設定的梯度材料。其中，異形陽極的形狀和尺寸與設計的D1、D2、Wl、W2有關，變更任何一個設定值，異形陽極的形狀和尺寸都需要改變。
[0007]陽極材料為適合于電沉積的所有金屬及其合金，或者用不溶性陽極，并使用相應的電鍍槽液。陽極金屬包括鎳、銅、鐵、錫、鉛、鉻、鈷、鎢、銀、金鉬、鈀以及鎳一銅、鎳一鐵鎳一鈷、鐵一鎳一鉻、鉛一錫、銅一銀、銅一鋅、鎳一鶴、銅一錫、錫一IE合金等。
[0008]使用的多孔基材是塑性有機發泡體，包括聚酯型聚氨酯、聚醚型聚氨酯、聚乙烯、聚苯乙烯或聚丙烯等多種發泡體。
[0009]通過采用本發明的泡沫金屬板及其制造方法，能夠提高能量密度，降低當前電池系統的重量，同時，還可以在泡沫金屬板的電池極板上使密度呈梯度分布，從而使得導電極耳處的密度最高，這可以減小總的歐姆壓降，并得到比均勻的相同密度泡沫金屬板更好的電池電力特性。這是因為，如果更多的金屬分布在極耳處，當積累的電流朝著極耳方向增加時，材料的導電性將增加。另外，更多的金屬分布在極耳處使得極耳處的機械強度增加，從而便于焊接極耳。由此，該發明有利于提高電池的電力性能和提高極耳焊接的成材率。
【附圖說明】
[0010]下面將結合附圖對本發明的技術方案進行具體說明，其中:
[0011]圖1為示出了電池極片上的電流流向的示意圖。
[0012]圖2為示出了本發明的泡沫金屬板的鎳密度與離極耳的距離的關系的曲線圖。
[0013]圖3為本發明的泡沫金屬板的密度在金屬板橫向上的分布設計示意圖。
[0014]圖4為本發明的泡金屬板的微觀形貌圖。
[0015]圖5為本發明的異形陽極的工作示意圖(俯視圖)。
[0016]圖6為本發明的異形陽極的工作示意圖(俯視圖)。
[0017]與7為梯度泡沫金屬的面密度分布曲線。
[0018]圖8為用于制造電鍍泡沫金屬帶/板的設備的示意圖。
[0019]圖9為泡沫金屬卷頭部的橫向面密度分布圖。
[0020]圖10為泡沫金屬卷尾部的橫向面密度分布圖。
[0021]圖11為使用平面陽極時基材橫向各部分的相同電流密度的分布示意圖(俯視圖)。
[0022]圖12為使用異形陽極時基材橫向各部分的不同電流密度的分布示意圖(俯視圖)。
[0023]圖13為異形陽極作用下的基材橫向密度分布圖。
[0024]圖14為異形陽極作用下的基材橫向電流分布圖。
[0025]圖15為本發明的金屬板的密度在橫向上的分布設計圖。
[0026]圖16為用于制造縱向面密度呈梯度分布的電鍍泡沫金屬帶/板的設備的示意圖。
[0027]圖17為本發明的陽極的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0028]在電鍍的陰極上，采用如圖5和6所示的異形陽極的方法進行電沉積，生產的樣品的橫向密度的梯度分布如圖7所示。在一實施例中，總共鍍制了一卷140m的金屬帶，從頭到尾共測試了 7條。結果顯示，在橫向上實現了密度梯度分布，臺階處密度較高，并且從頭到尾，在寬度上的梯度曲線能很好的重合(如圖3所示)，其中Wl=60mm，W2=20mm, Dl=370g/m2，D2=470g/m2。
[0029]本領域中通常是采用電鍍方式來生產泡沫金屬。電鍍是用電化學方法在固體表面上沉積一薄層金屬或合金的過程。具體而言，以多孔泡沫板為陰極，以由構成泡沫金屬板的金屬構成的金屬板為陽極，通過電鍍法在該多孔泡沫板上和該多孔泡沫板內電沉積金屬。形象的說，就是給金屬或非金屬穿上一件金屬“外衣”，這層金屬“外衣”就叫電鍍層。電鍍完成后，通過燒結去除復合泡沫板中的有機聚合物，由此獲得泡沫金屬板。可選地，還可以包括在還原性氣氛下還原獲得的泡沫金屬板的步驟。另外，通過設置陽極和多孔泡沫板的相對數量和相對位置關系，可以從多孔泡沫板的兩側同時進行電沉積。泡沫金屬板的制造可以按照連續法、間歇法、半間歇法或其任意組合的方式進行。
[0030]在進行電鍍時，將被鍍件和直流電源的負極相連，要鍍覆的金屬和直流電源的正極相連，隨后，把它們一起放在電鍍槽中。鍍槽中含有欲鍍覆金屬離子的溶液(當然還有其他物質)。當直流電源和鍍槽接通時，就有電流通過，以鍍鎳為例，其發生的反應為:
[0031]陰極反應為:Ni2++2e — Ni,陽極反應為:Ni — 2e — Ni2+
[0032]用于利用電鍍方法獲得泡沫鎳的設備如圖8所示。該設備適用于在連續的基材上進行連續化的電鍍，其主要由放卷裝置、電鍍槽、收卷裝置依次連接組成，并裝配有其它輔助設備，包括傳動基材的傳動裝置、給陰陽極提供電能的電源系統、清洗裝置以及烘干裝置等。該設備中的電鍍槽分為兩級，第一級為預鍍槽，第二級為主鍍槽，預鍍槽內配置一對高度較小的陽極，由于該對陽極的高度較小，可以確保待電鍍的基材在開始電鍍時，在電阻較高的情況下基材電流分布均勻。同時，預鍍后的基材經過鍍覆一定量的金屬后，電阻顯著降低，可以防止后續電鍍過程中因超出極限電流密度而產生的“燒焦”。
[0033]基材的電鍍過程為:導電化處理后的連續基材置于放卷裝置I上，在主鍍傳動裝置3和預鍍傳動裝置2的共同牽引下依次進入預鍍槽和主鍍槽，在預鍍槽和主鍍槽的鍍區內完成金屬的沉積。預鍍槽的作用是在導電化處理后的基材上先沉積一層少量的金屬，使得基材的導電性能大大提高，以便后續的主鍍過程可以順利的加載電流，同時又由于預