錫基復合鍍層材料制備工藝的研究

陳紅輝, 劉曉艷, 廖麗軍, 楊如曙(.常德力元新材料有限責任公司,湖南常德4500;.湖南科力遠新能源股份有限公司,湖南長沙,4005;.湖南文理學院,湖南常德 45007）

錫基復合鍍層材料制備工藝的研究

陳紅輝1, 劉曉艷2, 廖麗軍1, 楊如曙3
(1.常德力元新材料有限責任公司,湖南常德415001;2.湖南科力遠新能源股份有限公司,湖南長沙,410205;3.湖南文理學院,湖南常德 415007）

探討了應用于鋅-鎳電池負極集流體的錫基復合電鍍工藝。通過SEM表征了材料的形貌,并將錫基復合鍍層材料與普通光滑平面錫基材料進行物理性能及鍍層致密性對比分析。結果表明:在相同工藝條件下,錫基復合鍍層材料各項性能更加優(yōu)異,更適用于高容量電池的制作。

復合電鍍;鋅-鎳電池;集流體

0 前言

鋅-鎳電池由于質量輕、功率高、深循環(huán)性能好,且成本低于其他鎳系列蓄電池,可以用于混合動力汽車和電池車的動力源。目前鋅-鎳電池所使用的負極集流體材料為光滑平面穿孔覆錫銅箔,它具有導電性能佳、延展性能好等優(yōu)點;但因其表面光滑,也經常導致電極物質填充不均勻、不牢固,影響了電池容量等性能的提升。因此,需要增加表面粗糙度,提高材料的比表面積,以提升電池的容量與循環(huán)壽命。本文為提高覆錫銅箔的比表面積,探討了通過復合電沉積在常規(guī)覆錫銅箔表面均勻沉積金屬錫粒;并通過相關檢測手段對復合鍍層材料與常規(guī)材料進行對比分析。

1 實驗

1.1 實驗材料

陰極采用厚度為45μm、孔徑為1.0 mm的穿孔銅箔,面積為20 cm×20 cm。陽極采用高純錫板。復合微粒采用直徑為15μm的錫粉。其它試劑均為分析純。

1.2 鍍液成分及工藝條件

為了降低溶液的氧化速率,加入2 000 g錫粒。

1.3 測試方法

(1）采用掃描電子顯微鏡分析復合鍍層的微觀形貌。

(2）采用拉力實驗機測試復合鍍層材料的抗拉力和延伸率。

(3）采用文獻[1]方法測試復合鍍層的致密性。

2 結果與分析

為得到致密性好且結合力好的復合鍍層,在鍍錫工藝過程中使用超聲波攪拌。據文獻[2-3]報道:在電鍍中使用超聲波,利用超聲波的超聲空化效應、機械效應、活化效應、熱效應等對電化學沉積過程中的液相傳質、表面轉化、電荷轉移、電結晶步驟的影響,以解決電鍍過程中電流效率低、電流微觀分布不均、液相傳質慢、微粒粒度分布范圍廣等問題。超聲空化作用可以極大地提高非均相反應的速率,實現非均相反應物間的介質均勻混合,加速反應物和產物的擴散過程,促進固體新相的生成,控制微粒的尺寸和分布[4]。

2.1 SEM檢測結果

圖1為復合鍍層的SEM圖。從圖1可以看出:微粒均勻、細致地沉積于材料表面。材料表面微粒的涂覆,有效增大了材料的比表面積,使材料在有限的厚度空間內能填充更多的活性物質,有利于提高電池的容量與循環(huán)壽命。

圖1 復合鍍層SEM圖

圖2為復合鍍層電子能譜圖。由圖2可知:鍍層中錫的質量分數為94.87%。

圖2 復合鍍層電子能譜圖

2.2 物理性能比較

檢測方法:取長為180 mm、寬為20 mm的試樣,以10 mm/min的速率進行檢測。檢測結果,如圖3和圖4所示。

鍍層強度很大程度上受到鍍層夾雜的影響,而產生拉應力會降低基體金屬的疲勞強度[5]。研究認為:在復合電沉積過程中,納米微粒的加入,一方面能增大陰極極化,有利于新晶核的生成,并且其本身比表面積較大,表面活性較高,可以在一定程度上使沉積層晶粒的生長點增多,提高電鍍層生長過程中的形核率;另一方面,納米微粒與基質金屬間存在的相互作用改變了基質金屬的生長方向,彌散分布在復合電鍍層中的納米微粒能抑制晶粒的聚集和長大,起到細化基質金屬晶粒的作用[6-7]。從圖3和圖4可以看出:復合鍍層材料的整體物理性能要優(yōu)于普通光滑平面材料。這主要是因為金屬微粒的加入,增強了鍍液的導電性,使金屬在電沉積過程中,晶粒更細化,鍍層結構更致密。

圖3 材料抗拉力對比圖

圖4 延伸率檢測對比圖

2.3 鍍層致密性

采用文獻[1]方法,對普通光滑平面材料和復合鍍層材料進行析氣量的測試,以檢測與評判鍍層的致密性。對比檢測結果,如圖5所示。

圖5 鍍層致密性檢測對比圖

金屬基復合材料是以基質金屬為均勻連續(xù)相、不溶性固體微粒為分散相。電沉積復合材料是在鍍液中摻入不溶性微粒,如 SiO2,Al2O3,SiC,WC等硬質微粒[8-10],微粒在金屬相的彌散分布能有效提高鍍層材料的耐磨性、耐蝕性及耐高溫氧化性等[11]。從圖5可以看出:復合鍍層的致密性相比普通光滑平面材料的致密性提升了20%以上。

3 結論

(1）通過合適的電沉積工藝制備了高性能的錫基復合鍍層,鍍層中復合微粒沉積均勻,結合牢固。

(2）在相同的工藝條件下,錫基復合鍍層的物理性能比普通光滑平面錫基鍍層的物理性能提升了15%～25%,其致密性比普通光滑平面錫基鍍層的致密性提升了20%～30%。錫基復合鍍層材料擁有更優(yōu)異的特性,更適合于鋅-鎳電池的應用。

[1] 陳紅輝,夏健康,余興華,等.銅帶鍍錫層性能的影響因素[J].電鍍與環(huán)保,2008,28(4）:24-25.

[2] 劉國洪,匡同春,胡松青,等.超聲波電鍍的研究進展 [J].電鍍與涂飾,2006,25(3）:52-55.

[3] 陳紅輝,郝勝策,高原,等.超聲波對泡沫鐵結構的影響[J].電鍍與環(huán)保,2009,29(3）:15-16.

[4] 程敬泉,姚素薇.超聲波在電化學中的應用 [J].電鍍與精飾,2005,27(1）:16-19.

[5] 陳亞.現代實用電鍍技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002:214.

[6] Qin W,Nam C,Li H L,et al.Tetragonal phase stability in ZrO2film formed on zirconium alloys and its effects on corrosion resistance[J].Acta Materialia,2007,55(5）:1 695-1 701.

[7] 黃步松,李凝.電沉積Ni-ZrO2復合鍍層的耐蝕性能研究[J].礦冶工程,2009,29(1）:97-100.

[8] Gyftou P,Stroumbouli M,Pavlatou E A, et al.Electrodeposition of Ni/SiC composites by pulse electrolysis:Electrodeposition in electronics[J].Transactions ofthe Institute of Metal Finishing,2000,80(3）:88-91.

[9] Noak P,Socha R P,Kaisheva M,et al.Electrochemical investigation of the codeposition of SiC and SiO2particles with nickel[J].Journal of Applied Electrochemistry,2000,30(4）:429-437.

[10] Banovic S W,Barmak K,Marder A R.Characterization of single and discretely-stepped electrocomposite coatings of nickel-alumina[J].Journal ofMaterialsScience,1999,34(13）:3 203-3 211.

[11] 胡飛,吳堅強,黃敏,等.以 Guglielmi模型研究脈沖電流下Ni-SiC復合電沉積[J].電鍍與涂飾,2010,29(1）:1-3.

A Study of the Process for Preparing Tin-Based Composite Coating Materials

CHEN Hong-hui1, LIU Xiao-yan2, LIAO Li-jun1, YANG Ru-shu3
(1.Changde Liyuan New Material Co.,Ltd.,Changde 415001,China;2.Hunan Corun
New Energy Co.,Ltd.,Changsha 410205,China;3.Hunan Arts@amp;amp;Sciences University,Changde 415007,China）

A process to prepare tin-based composite coating materials used for nickel-zinc battery anode collector was explored by composite electrodeposition technology.The morphology of the materials was characterized by SEM,and the prepared tin-based composite coating materials was contrasted with common smooth plane tin-based materials in physical properties and compactness.The results show that the composite coating materials prepared under the same process conditions are more excellent in various properties and more suitable for production of high capacity batteries.

composite electroplating;Zn-Ni battery;current collector

TQ 153

A

1000-4742(2010）06-0021-03

2010-05-17