发泡式铁电极及其制备方法技术领域
本发明涉及二次电池技术领域，具体涉及一种二次电池的电极，特别涉及一种发泡式铁电极及其制备方法。
背景技术
19世纪末20世纪初，欧洲的JUNJER 和美国的EDISON发明了铁镍电池，这是一种以铁电极作为负极，羟基氧化镍作为正极的二次电池。由于铁电极可承受过充过放，长期放电态搁置等电性能滥用，且铁电极使用寿命长，循环寿命可达2000次以上，使用年限为20年以上，再者由于铁电极采用了铁作为活性物质，相比镉镍电池，铅酸电池负极使用的镉和铅材料，不构成对环境的污染。而相比氢镍电池负极使用的主要以稀土为主的贮氢合金，成本优势又十分明显，铁电极传统上采用的是袋式结构，即通过机械设备将四氧化三铁活性物质，添加剂，导电剂等混合粉包在镀镍钢带做成的袋状极板条内。根据容量需要，将所需数量的极板条通过机械作用力拼接在一起，然后按要求尺寸裁切成不同宽度的极板毛坯，再将毛坯装进极板框内，经过压纹形成极板，最后将极板焊接或装配在集流板上形成完整的铁电极，但这种袋式铁电极的制作工艺复杂，设备投入大，由于活性物质与集流体钢带间距大，活性物质利用率低，大电流放电能力较弱，一般仅适合制作中低倍率放电的铁镍电池（1C倍率以下电流放电）。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供的一种低成本、使用安全、使用寿命长、制作方法简单、大电流放电能力强、活性物质利用率高的发泡式铁电极及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种发泡式铁电极，包括发泡基体，设置在发泡基体中的活性物质，所述的发泡基体为发泡镍基体或发泡铁基体，所述的活性物质由各组分按以下重量百分比制成：四氧化三铁85～95%、添加剂1～5%、导电剂3～7%、粘结剂1～3%。
所述的发泡镍基体是由发泡海绵经电镀镍后烧除海绵而成。
所述的发泡铁基体是由发泡海绵经电镀铁后再电镀镍然后烧除海绵而成。
所述的添加剂为硫酸镍、氢氧化镍、稀土类氧化物中的至少一种。
所述的导电剂为石墨、乙炔黑中的一种。
所述的粘结剂为HPMC、CMC、PTFE乳液中的至少一种。
制备所述的发泡式铁电极的制备方法，其制备方法包括如下步骤：
步骤1、活性物质浆料的制备：将重量百分比为85～95%的四氧化三铁、重量百分比为1～5%的添加剂、重量百分比为3～7%的导电剂均匀混合，然后加入由重量百分比为1～3%的粘结剂配制成的质量浓度为8%的粘结剂水溶液调制，搅拌均匀，制成活性物质浆料；
步骤2、发泡镍基体或发泡铁基体的制备：将发泡海绵经电镀镍后烧除海绵制得发泡镍基体，将发泡海绵经电镀铁、再电镀镍后烧除海绵制得发泡铁基体；
步骤３、发泡式铁电极的成型：将步骤1中制得的活性物质浆料涂覆于步骤2制得的发泡镍基体或发泡铁基体中，经高温烘干，压片，冲切，点焊极耳，制成发泡镍式铁电极或者发泡铁式铁电极，统称为发泡式铁电极。
本发明和现有技术相比具有以下优点：本发明的发泡式铁电极采用发泡镍或者发泡铁作为基体，与袋式铁电极相比，由于发泡镍基体或者发泡铁基体独特的三维网状结构和高度的微孔化，这样活性物质与集流体间的距离大大缩短，本发明的发泡式铁电极的大电流放电能力明显加强，活性物质的利用率也得到提高；用本发明的发泡式铁电极制作的铁镍电池可满足高倍率放电的要求；另外，本发明的制作方法简单、便于生产。
由实施例的实验证明，本发明的发泡式铁电极与传统袋式铁电极相比，活性物质利用率提高了26～30%，大电流放电能力提高了50～65.5%。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
取四氧化三铁85克、添加剂5克、导电剂7克、粘结剂3克。
本发明发泡式铁电极：一种发泡式铁电极，包括发泡基体，设置在发泡基体中的活性物质，所述的发泡基体为发泡镍基体或发泡铁基体，所述的活性物质由各组分按以下重量百分比制成：四氧化三铁85克、添加剂5克、导电剂7克、粘结剂3克。
所述的发泡镍基体是由发泡海绵经电镀镍后烧除海绵而成。
所述的发泡铁基体是由发泡海绵经电镀铁后再电镀镍然后烧除海绵而成。
所述的添加剂为硫酸镍、氢氧化镍、稀土类氧化物中的至少一种。
所述的导电剂为石墨、乙炔黑中的一种。
所述的粘结剂为HPMC、CMC、PTFE乳液中的至少一种。
制备所述的发泡式铁电极的方法，其制备方法包括如下步骤：
步骤1、活性物质浆料的制备：将重量为85克的四氧化三铁、重量为5克的添加剂、重量为7克的导电剂均匀混合，然后加入由重量为3克的粘结剂配制成的质量浓度为8%的粘结剂水溶液37.5克调制，搅拌均匀，制成活性物质浆料；
步骤2、发泡镍基体或发泡铁基体的制备：将发泡海绵经电镀镍后烧除海绵制得发泡镍基体，将发泡海绵经电镀铁、再电镀镍后烧除海绵制得发泡铁基体；
步骤３、发泡式铁电极的成型：将步骤1中制得的活性物质浆料涂覆于步骤2制得的发泡镍基体或发泡铁基体中，经高温烘干，压片，冲切，点焊极耳，制成发泡镍式铁电极或者发泡铁式铁电极，统称为发泡式铁电极。
传统袋式铁电极：将四氧化三铁85克、添加剂5克、导电剂7克混合均匀，通过机械设备将混合粉包在镀镍钢带做成的袋状极板条内，然后压成极板，最后将极板焊接极耳，制成袋式铁电极。
将本发明的发泡式铁电极和传统的袋式铁电极与烧结式镍电极以聚丙烯无纺布和聚乙烯辐射接枝膜组成的隔膜隔开，组成叠片式铁镍电池，装入尼龙塑料壳内，然后灌注比重为1.25克每毫升的氢氧化钾水溶液（内含15克每升的氢氧化锂），搁置12小时，再经充放电活化成为铁镍电池。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以0.2C放电至1.0V，计算出电池放电容量。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以10C放电至0.8V，计算出电池放电容量。
电池以铁电极理论容量的0.1C充电10小时，停30分钟，然后以铁电极理论容量的0.1C放电至～0.55V（相对锌参比电极），计算出铁电极中活性物质克容量。
本发明的发泡式铁电极与传统的袋式铁电极活性物质利用率和大电流放电能力比较，见下表：
类别电池0.2C放电容量电池10C放电容量10C放电比率活性物质利用率
发泡镍式铁电极2002毫安时1630毫安时81.5%272毫安时每克
发泡铁式铁电极1996毫安时1567毫安时78.5%268毫安时每克
袋式铁电极1928毫安时1025毫安时53%213毫安时每克
注：活性物质利用率以混合粉中每克四氧化三铁所放出的容量表示，
10C放电比率以10C与0.2C放出的容量比表示。
从上表可以看出，本发明的发泡式铁电极采用发泡镍或者发泡铁作为基体，与袋式铁电极相比，由于发泡镍基体或者发泡铁基体独特的三维网状结构和高度的微孔化，使活性物质与集流体间的距离大大缩短，大电流放电能力明显加强，活性物质的利用率也得到提高；实验证明，本发明的发泡式铁电极与传统袋式铁电极相比，活性物质利用率提高了28%，大电流放电比率提高了54%。
实施例2
取四氧化三铁90克、添加剂3克、导电剂5克、粘结剂2克。
本发明发泡式铁电极：一种发泡式铁电极，包括发泡基体，设置在发泡基体中的活性物质，所述的发泡基体为发泡镍基体或发泡铁基体，所述的活性物质由各组分按以下重量百分比制成：四氧化三铁90克、添加剂3克、导电剂5克、粘结剂2克。
所述的发泡镍基体是由发泡海绵经电镀镍后烧除海绵而成。
所述的发泡铁基体是由发泡海绵经电镀铁后再电镀镍然后烧除海绵而成。
所述的添加剂为硫酸镍、氢氧化镍、稀土类氧化物中的至少一种。
所述的导电剂为石墨、乙炔黑中的一种。
所述的粘结剂为HPMC、CMC、PTFE乳液中的至少一种。
制备所述的发泡式铁电极的制备方法，其制备方法包括如下步骤：
步骤1、活性物质浆料的制备：将重量为90克的四氧化三铁、重量为3克的添加剂、重量为5克的导电剂均匀混合，然后加入由重量为2克的粘结剂配制成的质量浓度为8%的粘结剂水溶液25克调制，搅拌均匀，制成活性物质浆料；
步骤2、发泡镍基体或发泡铁基体的制备：将发泡海绵经电镀镍后烧除海绵制得发泡镍基体，将发泡海绵经电镀铁、再电镀镍后烧除海绵制得发泡铁基体；
步骤３、发泡式铁电极的成型：将步骤1中制得的活性物质浆料涂覆于步骤2制得的发泡镍基体或发泡铁基体中，经高温烘干，压片，冲切，点焊极耳，制成发泡镍式铁电极或者发泡铁式铁电极，统称为发泡式铁电极。
传统袋式电极：将四氧化三铁90克、添加剂3克、导电剂5克混合均匀，通过机械设备将混合粉包在镀镍钢带做成的袋状极板条内，然后压成极板，最后将极板焊接极耳，制成袋式铁电极。
将本发明的发泡式铁电极和传统的袋式铁电极与烧结式镍电极以聚丙烯无纺布和聚乙烯辐射接枝膜组成的隔膜隔开，组成叠片式铁镍电池，装入尼龙塑料壳内，然后灌注比重为1.25克每毫升的氢氧化钾水溶液（内含15克每升的氢氧化锂），搁置12小时，再经充放电活化成为铁镍电池。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以0.2C放电至1.0V，计算出电池放电容量。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以10C放电至0.8V，计算出电池放电容量。
电池以铁电极理论容量的0.1C充电10小时，停30分钟，然后以铁电极理论容量0.1C放电至～0.55V（相对锌参比电极），计算出铁电极中活性物质克容量。
本发明的发泡式铁电极与传统的袋式铁电极活性物质利用率和大电流放电能力比较，见下表：
类别电池0.2C放电容量电池10C放电容量10C放电比率活性物质利用率
发泡镍式铁电极1973毫安时1636毫安时83%276毫安时每克
发泡铁式铁电极1956毫安时1565毫安时80.1%267毫安时每克
袋式铁电极1908毫安时994毫安时52%210毫安时每克
注：活性物质利用率以混合粉中每克四氧化三铁所放出的容量表示，
10C放电比率以10C与0.2C放出的容量比表示。
从上表可以看出，本发明的发泡式铁电极采用发泡镍或者发泡铁作为基体，与袋式铁电极相比，由于发泡镍基体或者发泡铁基体独特的三维网状结构和高度的微孔化，使活性物质与集流体间的距离大大缩短，大电流放电能力明显加强，活性物质的利用率也得到提高；实验证明，本发明的发泡式电极与传统袋式电极相比，活性物质利用率提高了30%，大电流放电比率提高了60%。
实施例3
取四氧化三铁95克、添加剂1克、导电剂3克、粘结剂1克。
本发明发泡式铁电极：一种发泡式铁电极，包括发泡基体，设置在发泡基体中的活性物质，所述的发泡基体为发泡镍基体或发泡铁基体，所述的活性物质由各组分按以下重量百分比制成：四氧化三铁95克、添加剂1克、导电剂3克、粘结剂1克。
所述的发泡镍基体是由发泡海绵经电镀镍后烧除海绵而成。
所述的发泡铁基体是由发泡海绵经电镀铁后再电镀镍然后烧除海绵而成。
所述的添加剂为硫酸镍、氢氧化镍、稀土类氧化物中的至少一种。
所述的导电剂为石墨、乙炔黑中的一种。
所述的粘结剂为HPMC、CMC、PTFE乳液中的至少一种。
制备所述的发泡式铁电极的制备方法，其制备方法包括如下步骤：
步骤1、活性物质浆料的制备：将重量为95克的四氧化三铁、重量为1克的添加剂、重量为3克的导电剂均匀混合，然后加入由重量为1克的粘结剂配制成的质量浓度为8%的粘结剂水溶液12.5克调制，搅拌均匀，制成活性物质浆料；
步骤2、发泡镍基体或发泡铁基体的制备：将发泡海绵经电镀镍后烧除海绵制得发泡镍基体，将发泡海绵经电镀铁、再电镀镍后烧除海绵制得发泡铁基体；
步骤３、发泡式铁电极的成型：将步骤1中制得的活性物质浆料涂覆于步骤2制得的发泡镍基体或发泡铁基体中，经高温烘干，压片，冲切，点焊极耳，制成发泡镍式铁电极或者发泡铁式铁电极，统称为发泡式铁电极。
传统袋式铁电极：将四氧化三铁95克、添加剂1克、导电剂3克混合均匀，通过机械设备将混合粉包在镀镍钢带做成的袋状极板条内，然后压成极板，最后将极板焊接极耳，制成袋式铁电极。
将本发明的发泡式铁电极和传统的袋式铁电极与烧结式镍电极以聚丙烯无纺布和聚乙烯辐射接枝膜组成的隔膜隔开，组成叠片式铁镍电池，装入尼龙塑料壳内，然后灌注比重为1.25克每毫升的氢氧化钾水溶液（内含15克每升的氢氧化锂），搁置12小时，再经充放电活化成为铁镍电池。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以0.2C放电至1.0V，计算出电池放电容量。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以10C放电至0.8V，计算出电池放电容量。
电池以铁电极理论容量的0.1C充电10小时，停30分钟，然后以铁电极理论容量0.1C放电至～0.55V（相对锌参比电极），计算出铁电极中活性物质克容量。
本发明的发泡式电极与传统的袋式铁电极活性物质利用率和大电流放电能力比较，见下表：
类别电池0.2C放电容量电池10C放电容量10C放电比率活性物质利用率
发泡镍式铁电极1952毫安时1556毫安时79.7%269毫安时每克
发泡铁式铁电极1956毫安时1507毫安时77.2%258毫安时每克
袋式铁电极1938毫安时1028毫安时53%206毫安时每克
注：活性物质利用率以混合粉中每克四氧化三铁所放出的容量表示，
10C放电比率以10C与0.2C放出的容量比表示。
从上表可以看出，本发明的发泡式铁电极采用发泡镍或者发泡铁作为基体，与袋式铁电极相比，由于发泡镍基体或者发泡铁基体独特的三维网状结构和高度的微孔化，使活性物质与集流体间的距离大大缩短，大电流放电能力明显加强，活性物质的利用率也得到提高；实验证明，本发明的发泡式铁电极与传统袋式铁电极相比，活性物质利用率提高了30%，大电流放电比率提高了50%。
实施例4
取四氧化三铁87克、添加剂4克、导电剂6.5克、粘结剂2.5克。
本发明发泡式铁电极：一种发泡式铁电极，包括发泡基体，设置在发泡基体中的活性物质，所述的发泡基体为发泡镍基体或发泡铁基体，所述的活性物质由各组分按以下重量百分比制成：四氧化三铁87克、添加剂4克、导电剂6.5克、粘结剂2.5克。
所述的发泡镍基体是由发泡海绵经电镀镍后烧除海绵而成。
所述的发泡铁基体是由发泡海绵经电镀铁后再电镀镍然后烧除海绵而成。
所述的添加剂为硫酸镍、氢氧化镍、稀土类氧化物中的至少一种。
所述的导电剂为石墨、乙炔黑中的一种。
所述的粘结剂为HPMC、CMC、PTFE乳液中的至少一种。
制备所述的发泡式铁电极的制备方法，其制备方法包括如下步骤：
步骤1、活性物质浆料的制备：将重量为87克的四氧化三铁、重量为4克的添加剂、重量为6.5克的导电剂均匀混合，然后加入由重量为2.5克的粘结剂配制成的质量浓度为8%的粘结剂水溶液31.25克调制，搅拌均匀，制成活性物质浆料；
步骤2、发泡镍基体或发泡铁基体的制备：将发泡海绵经电镀镍后烧除海绵制得发泡镍基体，将发泡海绵经电镀铁、再电镀镍后烧除海绵制得发泡铁基体；
步骤３、发泡式铁电极的成型：将步骤1中制得的活性物质浆料涂覆于步骤2制得的发泡镍基体或发泡铁基体中，经高温烘干，压片，冲切，点焊极耳，制成发泡镍式铁电极或者发泡铁式铁电极，统称为发泡式铁电极。
传统袋式铁电极：将四氧化三铁87克、添加剂4克、导电剂6.5克混合均匀，通过机械设备将混合粉包在镀镍钢带做成的袋状极板条内，然后压成极板，最后将极板焊接极耳，制成袋式铁电极。
将本发明的发泡式铁电极和传统的袋式铁电极与烧结式镍电极以聚丙烯无纺布和聚乙烯辐射接枝膜组成的隔膜隔开，组成叠片式铁镍电池，装入尼龙塑料壳内，然后灌注比重为1.25克每毫升的氢氧化钾水溶液（内含15克每升的氢氧化锂），搁置12小时，再经充放电活化成为铁镍电池。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以0.2C放电至1.0V，计算出电池放电容量。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以10C放电至0.8V，计算出电池放电容量。
电池以铁电极理论容量的0.1C充电10小时，停30分钟，然后以铁电极理论容量0.1C放电至～0.55V（相对锌参比电极），计算出铁电极中活性物质克容量。
本发明的发泡式电极与传统的袋式铁电极活性物质利用率和大电流放电能力比较，见下表：
类别电池0.2C放电容量电池10C放电容量10C放电比率活性物质利用率
发泡镍式铁电极1942毫安时1624毫安时83.6%249毫安时每克
发泡铁式铁电极1944毫安时1598毫安时82.2%241毫安时每克
袋式铁电极1928毫安时965毫安时50.0%194毫安时每克
注：活性物质利用率以混合粉中每克四氧化三铁所放出的容量表示，
10C放电比率以10C与0.2C放出的容量比表示。
从上表可以看出，本发明的发泡式铁电极采用发泡镍或者发泡铁作为基体，与袋式铁电极相比，由于发泡镍基体或者发泡铁基体独特的三维网状结构和高度的微孔化，使活性物质与集流体间的距离大大缩短，大电流放电能力明显加强，活性物质的利用率也得到提高；实验证明，本发明的发泡式铁电极与传统袋式铁电极相比，活性物质利用率提高了26%，大电流放电比率提高了65.5%。
实施例5
取四氧化三铁92克、添加剂2克、导电剂4.5克、粘结剂1.5克。
本发明发泡式铁电极：一种发泡式铁电极，包括发泡基体，设置在发泡基体中的活性物质，所述的发泡基体为发泡镍基体或发泡铁基体，所述的活性物质由各组分按以下重量百分比制成：四氧化三铁92克、添加剂2克、导电剂4.5克、粘结剂1.5克。
所述的发泡镍基体是由发泡海绵经电镀镍后烧除海绵而成。
所述的发泡铁基体是由发泡海绵经电镀铁后再电镀镍然后烧除海绵而成。
所述的添加剂为硫酸镍、氢氧化镍、稀土类氧化物中的至少一种。
所述的导电剂为石墨、乙炔黑中的一种。
所述的粘结剂为HPMC、CMC、PTFE乳液中的至少一种。
制备所述的发泡式铁电极的制备方法，其制备方法包括如下步骤：
步骤1、活性物质浆料的制备：将重量为92克的四氧化三铁、重量为2克的添加剂、重量为4.5克的导电剂均匀混合，然后加入由重量为1.5克的粘结剂配制成的质量浓度为8%的粘结剂水溶液18.75克调制，搅拌均匀，制成活性物质浆料；
步骤2、发泡镍基体或发泡铁基体的制备：将发泡海绵经电镀镍后烧除海绵制得发泡镍基体，将发泡海绵经电镀铁、再电镀镍后烧除海绵制得发泡铁基体；
步骤３、发泡式铁电极的成型：将步骤1中制得的活性物质浆料涂覆于步骤2制得的发泡镍基体或发泡铁基体中，经高温烘干，压片，冲切，点焊极耳，制成发泡镍式铁电极或者发泡铁式铁电极，统称为发泡式铁电极。
传统袋式铁电极：将四氧化三铁92克、添加剂2克、导电剂4.5克混合均匀，通过机械设备将混合粉包在镀镍钢带做成的袋状极板条内，然后压成极板，最后将极板焊接极耳，制成袋式铁电极。
将本发明的发泡式铁电极和传统的袋式铁电极与烧结式镍电极以聚丙烯无纺布和聚乙烯辐射接枝膜组成的隔膜隔开，组成叠片式铁镍电池，装入尼龙塑料壳内，然后灌注比重为1.25克每毫升的氢氧化钾水溶液（内含15克每升的氢氧化锂），搁置12小时，再经充放电活化成为铁镍电池。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以0.2C放电至1.0V，计算出电池放电容量。
电池以0.25C充电8小时，停30分钟，以10C放电至0.8V，计算出电池放电容量。
电池以铁电极理论容量的0.1C充电10小时，停30分钟，然后以铁电极理论容量0.1C放电至～0.55V（相对锌参比电极），计算出铁电极中活性物质克容量。
本发明的发泡式电极与传统的袋式铁电极活性物质利用率和大电流放电能力比较，见下表：
类别电池0.2C放电容量电池10C放电容量10C放电比率活性物质利用率
发泡镍式铁电极1947毫安时1605毫安时82.4%244毫安时每克
发泡铁式铁电极1942毫安时1595毫安时82.1%238毫安时每克
袋式铁电极1924毫安时958毫安时49.8%187毫安时每克
注：活性物质利用率以混合粉中每克四氧化三铁所放出的容量表示，
10C放电比率以10C与0.2C放出的容量比表示。
从上表可以看出，本发明的发泡式铁电极采用发泡镍或者发泡铁作为基体，与袋式铁电极相比，由于发泡镍基体或者发泡铁基体独特的三维网状结构和高度的微孔化，使活性物质与集流体间的距离大大缩短，大电流放电能力明显加强，活性物质的利用率也得到提高；实验证明，本发明的发泡式铁电极与传统袋式铁电极相比，活性物质利用率提高了28%，大电流放电比率提高了65.5%。