75PPI Nickelschaum mit 95 % Porosität für die negative Elektrode von NiMH-Batterien

1. Auswahl des Polymerschaumsubstrats

Die Herstellung beginnt mit offenzelligem Polyurethanschaum als Opfervorlage. Polyurethanschaum bietet eine vollständig vernetzte dreidimensionale Netzwerkstruktur mit gleichmäßiger Porenverteilung. Die PPI-Spezifikation (Poren pro Zoll)-liegt typischerweise zwischen 75 PPI und 130 PPI für Batterieprodukte-Produkte in Batteriequalität-bestimmt die endgültige Schaumöffnung und -oberfläche. Der Polymerschaum dient als architektonische Form für das Metallskelett, um das herum gebaut werden soll.

2. Konduktive Behandlung (Konduktivisierung)

Polyurethanschaum ist elektrisch isolierend und erfordert vor der Metallabscheidung eine leitfähige Behandlung. Es kommen drei Standardmethoden zur Anwendung: stromlose Vernickelung, leitfähige Klebebeschichtung oder Vakuumabscheidung. Chemisch vernickelte Bäder arbeiten bei einem pH-Wert von 9,0 bis 9,5 und einer Temperatur von 45 Grad. Sie verwenden 30 g/L NiSO₄ als Nickelquelle und 30 g/L NaH₂PO₂ als Reduktionsmittel und erreichen Abscheidungsraten von etwa 40 mg/(cm³·h). Die leitfähige Schicht sorgt für eine gleichmäßige Stromverteilung während der anschließenden Elektroabscheidung. -Der spezifische Widerstand wirkt sich direkt auf die Gleichmäßigkeit der Beschichtung aus, wobei ein höherer spezifischer Widerstand die Stromanstiegsraten verlangsamt.

3. Galvanische Abscheidung (Vernickeln)

Der leitfähige Schaum wird zur Kathode, die in ein nickelreiches Elektrolytbad getaucht wird, typischerweise Nickelplattierungslösungen auf Sulfamat- oder Sulfatbasis. Stromdichte und Galvanisierungszeit steuern die endgültige Dicke der Nickelschicht. Sulfamatbäder halten die Leitfähigkeit bei 20 Grad über 200 mS/cm aufrecht. Die zwei-Stufen-Beschichtungszone-Vorbeschichtungszone mit der Abscheidung von 0,5–19 g/m² Nickel, gefolgt von der Hauptbeschichtungszone mit Umkehrung des Elektrolytflusses bei Frequenzen zwischen 1 mHz und 0,1 Hz-verbessert die Gleichmäßigkeit der Beschichtung auf dem dreidimensionalen Substrat. Fortgeschrittene Prozesse nutzen die Impulselektroabscheidung mit Parametern von 2,0 A/dm² Stromdichte, 1000 Hz Frequenz und 1:5 Arbeitszyklus für feinkörnige, gleichmäßige Abscheidungen.

4. Wärmebehandlung (Polymerentfernung und Sintern)

Der plattierte Verbundwerkstoff wird einer kontrollierten thermischen Verarbeitung in einem Durchlaufbandofen unterzogen. In reduzierenden Atmosphären wie Ammoniak-Zersetzungsgas (N₂:H₂-Verhältnis 1:3) oder reinem Wasserstoff erreichen die Temperaturen 600 bis 1000 Grad. Durch dieses einstufige Sintern werden zwei Ziele gleichzeitig erreicht: die Pyrolyse des Polyurethan-Templats und die metallurgische Bindung der abgeschiedenen Nickelpartikel zu einer selbsttragenden Struktur. Die Behandlung in reduzierender Atmosphäre verbraucht 0,4–1,2 l Zersetzungsgas pro Gramm verarbeitetem Nickel. Durch schnelles Erhitzen auf mehr als oder gleich 600 Grad entstehen Berstöffnungen in der Nickelschicht, die das Entweichen von Polymerzersetzungsgasen ermöglichen und gleichzeitig die verbleibende Kohlenstoffverunreinigung minimieren. Durch das abschließende Glühen in reduzierender Atmosphäre (800–1000 Grad, 30–60 Minuten) wird sprödes abgeschiedenes Nickel in duktiles Material umgewandelt, das den Dehnspezifikationen entspricht: in Längsrichtung größer oder gleich 5 %, in Querrichtung größer oder gleich 12 %. Eine kontrollierte Abkühlung unter einer N₂/H₂-Atmosphäre vervollständigt den Prozess und ergibt einen kontinuierlichen Nickelschaum mit einer Porosität von größer oder gleich 95 %, einer Zugfestigkeit in Längsrichtung von größer oder gleich 1,25 N/mm² und einer maximalen Breite von 930 mm.