锡基复合镀层材料制备工艺的研究

陈红辉, 刘晓艳, 廖丽军, 杨如曙(.常德力元新材料有限责任公司,湖南常德4500;.湖南科力远新能源股份有限公司,湖南长沙,4005;.湖南文理学院,湖南常德 45007）

锡基复合镀层材料制备工艺的研究

陈红辉1, 刘晓艳2, 廖丽军1, 杨如曙3
(1.常德力元新材料有限责任公司,湖南常德415001;2.湖南科力远新能源股份有限公司,湖南长沙,410205;3.湖南文理学院,湖南常德 415007）

探讨了应用于锌-镍电池负极集流体的锡基复合电镀工艺。通过SEM表征了材料的形貌,并将锡基复合镀层材料与普通光滑平面锡基材料进行物理性能及镀层致密性对比分析。结果表明:在相同工艺条件下,锡基复合镀层材料各项性能更加优异,更适用于高容量电池的制作。

复合电镀;锌-镍电池;集流体

0 前言

锌-镍电池由于质量轻、功率高、深循环性能好,且成本低于其他镍系列蓄电池,可以用于混合动力汽车和电池车的动力源。目前锌-镍电池所使用的负极集流体材料为光滑平面穿孔覆锡铜箔,它具有导电性能佳、延展性能好等优点;但因其表面光滑,也经常导致电极物质填充不均匀、不牢固,影响了电池容量等性能的提升。因此,需要增加表面粗糙度,提高材料的比表面积,以提升电池的容量与循环寿命。本文为提高覆锡铜箔的比表面积,探讨了通过复合电沉积在常规覆锡铜箔表面均匀沉积金属锡粒;并通过相关检测手段对复合镀层材料与常规材料进行对比分析。

1 实验

1.1 实验材料

阴极采用厚度为45μm、孔径为1.0 mm的穿孔铜箔,面积为20 cm×20 cm。阳极采用高纯锡板。复合微粒采用直径为15μm的锡粉。其它试剂均为分析纯。

1.2 镀液成分及工艺条件

为了降低溶液的氧化速率,加入2 000 g锡粒。

1.3 测试方法

(1）采用扫描电子显微镜分析复合镀层的微观形貌。

(2）采用拉力实验机测试复合镀层材料的抗拉力和延伸率。

(3）采用文献[1]方法测试复合镀层的致密性。

2 结果与分析

为得到致密性好且结合力好的复合镀层,在镀锡工艺过程中使用超声波搅拌。据文献[2-3]报道:在电镀中使用超声波,利用超声波的超声空化效应、机械效应、活化效应、热效应等对电化学沉积过程中的液相传质、表面转化、电荷转移、电结晶步骤的影响,以解决电镀过程中电流效率低、电流微观分布不均、液相传质慢、微粒粒度分布范围广等问题。超声空化作用可以极大地提高非均相反应的速率,实现非均相反应物间的介质均匀混合,加速反应物和产物的扩散过程,促进固体新相的生成,控制微粒的尺寸和分布[4]。

2.1 SEM检测结果

图1为复合镀层的SEM图。从图1可以看出:微粒均匀、细致地沉积于材料表面。材料表面微粒的涂覆,有效增大了材料的比表面积,使材料在有限的厚度空间内能填充更多的活性物质,有利于提高电池的容量与循环寿命。

图1 复合镀层SEM图

图2为复合镀层电子能谱图。由图2可知:镀层中锡的质量分数为94.87%。

图2 复合镀层电子能谱图

2.2 物理性能比较

检测方法:取长为180 mm、宽为20 mm的试样,以10 mm/min的速率进行检测。检测结果,如图3和图4所示。

镀层强度很大程度上受到镀层夹杂的影响,而产生拉应力会降低基体金属的疲劳强度[5]。研究认为:在复合电沉积过程中,纳米微粒的加入,一方面能增大阴极极化,有利于新晶核的生成,并且其本身比表面积较大,表面活性较高,可以在一定程度上使沉积层晶粒的生长点增多,提高电镀层生长过程中的形核率;另一方面,纳米微粒与基质金属间存在的相互作用改变了基质金属的生长方向,弥散分布在复合电镀层中的纳米微粒能抑制晶粒的聚集和长大,起到细化基质金属晶粒的作用[6-7]。从图3和图4可以看出:复合镀层材料的整体物理性能要优于普通光滑平面材料。这主要是因为金属微粒的加入,增强了镀液的导电性,使金属在电沉积过程中,晶粒更细化,镀层结构更致密。

图3 材料抗拉力对比图

图4 延伸率检测对比图

2.3 镀层致密性

采用文献[1]方法,对普通光滑平面材料和复合镀层材料进行析气量的测试,以检测与评判镀层的致密性。对比检测结果,如图5所示。

图5 镀层致密性检测对比图

金属基复合材料是以基质金属为均匀连续相、不溶性固体微粒为分散相。电沉积复合材料是在镀液中掺入不溶性微粒,如 SiO2,Al2O3,SiC,WC等硬质微粒[8-10],微粒在金属相的弥散分布能有效提高镀层材料的耐磨性、耐蚀性及耐高温氧化性等[11]。从图5可以看出:复合镀层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 结论

(1）通过合适的电沉积工艺制备了高性能的锡基复合镀层,镀层中复合微粒沉积均匀,结合牢固。

(2）在相同的工艺条件下,锡基复合镀层的物理性能比普通光滑平面锡基镀层的物理性能提升了15%～25%,其致密性比普通光滑平面锡基镀层的致密性提升了20%～30%。锡基复合镀层材料拥有更优异的特性,更适合于锌-镍电池的应用。

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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