CN102569818A

CN102569818A - 铅酸蓄电池高强度板栅正极板

Info

Publication number: CN102569818A
Application number: CN2010105908838A
Authority: CN
Inventors: 柳颖; 高建峰; 周建国; 张娟
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102569818B

Abstract

本发明实施例公开了一种铅酸蓄电池高强度板栅正极板，该正极板包括：正极板栅和涂覆于所述正极板栅表面的活性物质；其中，所述正极板栅由碳纤维增强铅基复合材料制成。本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，由于其正极板栅由碳纤维增强铅基复合材料制成，而所述碳纤维增强铅基复合材料具有较高的比强度和比模量，且在电池充放电过程中，碳纤维各组分不参与电池的电化学反应，因此，所述正极板栅具有高强度、高强承载能力及较强的抗蠕变能力，故可大大提高活性物质之间以及活性物质与正极板栅小格之间的结合力，从而使得所述活性物质不易软化、脱落，进而可提高铅酸蓄电池的使用寿命。

Description

铅酸蓄电池高强度板栅正极板

技术领域

本发明涉及蓄电池技术领域，更具体地说，涉及一种铅酸蓄电池高强度板栅正极板。

背景技术

在石油等能源日渐紧张、大气环境污染日趋严重的今天，电动自行车这种轻便快捷、无污染、使用成本低的交通工具，已越来越普及。电动自行车上给其提供电能的设备为蓄电池，即蓄电池是电动自行车的能源。目前，应用于电动自行车上的蓄电池多为铅酸蓄电池(约占市场份的95％以上)，这是由于：铅酸蓄电池具有资源丰富、价格低廉且安全性能好等多项优点。

但是，相对镍-金属氢化物电池或锂电池等电池体系来说，所述铅酸蓄电池又具有使用寿命短的缺点。根据多项研究表明，造成铅酸蓄电池寿命短的主要原因为：铅酸蓄电池正极活性物质(一般为二氧化铅)软化，进而使得二氧化铅脱落到电解液中，在电池内部形成短路，从而使电池失去容量，造成电池失效。

而造成正极活性物质软化、脱落的原因跟正极板栅的腐蚀变形有很大的关系。目前生产上常见的正极板栅的材料有铅锑合金、低锑或超低锑合金、铅钙等，由这些材料形成的正极板栅在蓄电池的充电过程中都会被腐蚀成PbO₂，而PbO₂的分子体积大约为铅体积的1.4倍，加之PbO₂薄膜具有一定的孔隙，因此，腐蚀产物的体积比铅合金体积大得多，从而使得正极板栅处于应力状态下，进而逐渐发生蠕变而线性长大，最终丧失支撑活性物质的作用，使得所述活性物质软化、脱落，致使铅酸蓄电池失效，降低了铅酸蓄电池的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种铅酸蓄电池高强度板栅正极板，该正极板能有效地提高铅酸蓄电池的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铅酸蓄电池高强度板栅正极板，该正极板包括：正极板栅和涂覆于所述正极板栅表面的活性物质；其中，所述正极板栅由碳纤维增强铅基复合材料制成。

优选的，上述铅酸蓄电池高强度板栅正极板中，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分包括：炭纤维、石墨纤维和铅基。

优选的，上述铅酸蓄电池高强度板栅正极板中，所述铅基包括电解铅或合金铅。

优选的，上述铅酸蓄电池高强度板栅正极板中，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分重量百分比为：炭纤维0.1～50％、石墨纤维0.1～50％、电解铅或合金铅50～99.9％。

优选的，上述铅酸蓄电池高强度板栅正极板中，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分重量百分比为：炭纤维1～10％、石墨纤维1～10％、电解铅或合金铅80～98％。

优选的，上述铅酸蓄电池高强度板栅正极板中，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分重量百分比为：炭纤维2.5％、石墨纤维1.5％、电解铅或合金铅96％。

优选的，上述铅酸蓄电池高强度板栅正极板中，所述炭纤维和石墨纤维的比强度均为2000MPa，比模量均为250GPa。

优选的，上述铅酸蓄电池高强度板栅正极板中，所述正极板栅由碳纤维增强铅基复合材料浇铸而成。

优选的，上述铅酸蓄电池高强度板栅正极板中，所述活性物质为二氧化铅。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板包括：正极板栅和涂覆于所述正极板栅表面的活性物质；其中，所述正极板栅由碳纤维增强铅基复合材料制成。本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，由于其正极板栅由碳纤维增强铅基复合材料制成，而所述碳纤维增强铅基复合材料具有较高的比强度和比模量，因此，所述正极板栅具有高强度和高强承载能力，从而增强了正极板的结构强度和尺寸稳定性；且由于正极板栅中的碳纤维各组分不参与电池的电化学反应，因此，随着电池充放电的进行，所述正极板和正极板栅的结构强度依旧不变，从而大大提高了所述正极板栅的抗蠕变能力，提高了活性物质之间以及活性物质与正极板栅小格之间的结合力，使得所述活性物质不易软化、脱落，进而提高了铅酸蓄电池的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种铅酸蓄电池高强度板栅正极板的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术部分所述，由于正极板栅在铅酸蓄电池的充电过程中易于被腐蚀成PbO₂，从而产生蠕变并线性长大，致使所述活性物质软化、脱落，最终导致铅酸蓄电池失效，降低了其使用寿命。

发明人对此做了深入的研究，研究发现：应用于电动自行车中的铅酸蓄电池，其使用条件为重负荷、深循环，在这种条件下，电池正极板栅的腐蚀较其他部分严重，正极板栅在遭受腐蚀时会发生变形，其尺寸将线性增大，这是造成电池正极活性物质软化、脱落的一个重要因素。

铅酸蓄电池的正极板在制造时，铅膏填满在正极板栅(可简称板栅)的小格中，经过压制、固化、化成后，正极活性物质比较牢固地固定在板栅小格中，这时，PbO₂颗粒之间以及PbO₂与板栅之间都有着良好的接触和结合力。但是，正极板栅在循环过程中受到腐蚀而尺寸长大，使板栅的每个小格子的容积增加，从而给正极活性物质的膨胀创造了条件。

铅酸蓄电池放电时，正极活性物质PbO₂转化为PbSO₄，由于PbSO₄的比容比PbO₂大，所以整个正极活性物质体积增加，如果容纳活性物质的板栅小格子容积不变，则PbSO₄的形成只能使正极板的孔隙率降低，表观体积不会变化。但是在板栅变形长大时，整个正极板的体积也会增长、膨胀，在电池充电时PbSO₄又转化为PbO₂，这样正极板的孔隙率将随着循环次数的增加而增加，孔隙率过分增加将极大地降低正极活性物质与板栅之间的结合力以及活性物质颗粒之间的结合力，从而最终导致所述活性物质软化、脱落，致使铅酸蓄电池失效，降低了铅酸蓄电池的使用寿命。

因此，为了提高铅酸蓄电池的使用寿命，亟待解决的问题是：提高正极板栅的抗长大和抗蠕变能力。而导致正极板栅发生蠕变、线性长大的原因在于其易被腐蚀，故需要寻求一种既可支撑活性物质又不易被腐蚀的材料来制作正极板栅。

发明人研究发现：碳纤维除具有一般碳材料的各种优良性能外，还具有相当高的比强度和比模量，力学性能优异；在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃，因此，碳纤维是新一代的增强材料。所述碳纤维作为增强材料被加入到树脂、金属、陶瓷等材料中，构成的高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等也均具有优异的增强性能。例如：碳纤维增强树脂复合材料的抗拉强度可达3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa，亦高于钢。

所述碳纤维根据不同的用途又有多种类型，例如：含碳量高于99％的石墨纤维具有较好的导电性能；炭纤维具有较高的比强度和比模量，可作为增强物质被加入到不同的金属或非金属材料中，提高这些材料的强度。

基于此，本发明提供一种铅酸蓄电池高强度板栅正极板，参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种铅酸蓄电池高强度板栅正极板的结构示意图，该正极板包括：正极板栅1和涂覆于所述正极板栅1表面的活性物质2；其中，所述正极板栅1由碳纤维增强铅基复合材料制成，所述活性物质2为二氧化铅。

本发明实施例中所述碳纤维增强铅基复合材料的组分包括：炭纤维、石墨纤维和铅基；其中，所述铅基包括电解铅或合金铅等。

所述正极板的具体制作过程为：首先将炭纤维、石墨纤维进行化学镀铅或镀锡并真空干燥；然后将其加入到熔化的电解铅或合金铅中浇铸，形成正极板栅；接着在所述正极板栅上涂覆由铅膏(主要成分为二氧化铅)制成的正极活性物质，形成正极板。

本实施例中所述正极板栅是由碳纤维增强铅基复合材料通过浇铸工艺而制成，其他实施例中还可以通过拉网工艺制作，对此，本发明并无特别限制。

所述碳纤维增强铅基复合材料的组分重量百分比可以为：炭纤维0.1～50％、石墨纤维0.1～50％、电解铅或合金铅50～99.9％。优选的，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分重量百分比可以为：炭纤维1～10％、石墨纤维1～10％、电解铅或合金铅80～98％。更优的，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分重量百分比为：炭纤维2.5％、石墨纤维1.5％、电解铅或合金铅96％。

所述炭纤维和石墨纤维的比强度均为2000MPa，比模量均为250GPa，但两者在由碳纤维增强铅基复合材料制成的正极板栅中具有不同的功效：所述炭纤维使得正极板栅具备高比模量和高比强度，而所述石墨纤维使所述正极板栅保持良好的导电性能。

本发明中，由具有熔融态的混合物浇铸制成正极板栅的工艺参照现有技术，本发明不作任何限定。

本发明中所述正极板铅膏配方为公知技术，本发明对其组分及配比均参照现有技术，而不作任何限定。

本发明中所述电解铅或合金铅均为现有技术中常见的铅酸蓄电池正极板栅所用材料。

本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板具有如下优点：

1、本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，在普通电解铅或合金铅中加入了新一代增强材料碳纤维，并用此浇铸制成正极板栅，从而使得所述正极板栅具有高强度和高强承载能力，因此，大大增强了正极板的结构强度和尺寸稳定性。

2、本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，由于正极板栅电解铅或合金铅中加入的碳纤维各组分均不参与电池的电化学反应，故在电池的整个充放电循环过程中，正极板栅材料的性质不会发生变化，从而使得其对于正极板的增强作用也不会减弱。因此，随着电池充放电的进行，本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板的结构强度依旧不变。

3、本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，由碳纤维增强铅基复合材料制成的正极板栅在电池充放电过程中能够保持其结构强度不变，因此大大提高了正极板栅的抗蠕变能力，延缓了正极板栅长大的进程，使正极板表面铅层活性物质与正极板栅小格之间的结合力不会受到破坏，防止了正极板表面铅层活性物质的脱落而导致电池失效，从而大大提高了电池的使用寿命。

4、本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，由于正极板栅是由碳纤维增强铅基复合材料制成，因此大大增强了正极板的结构强度和尺寸稳定性，减少了正极板表面铅层活性物质在充放电过程中发生膨胀的机会，提高了活性物质之间的结合力，使得活性物质不易发生软化，进而大大减缓了正极板表面活性物质随着电池充放电循环的进行而软化脱落的进程，进一步提高了电池的使用寿命。

综上所述，本发明所提供的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，由于其正极板栅由碳纤维增强铅基复合材料制成，因此，该正极板具有结构强度高、尺寸稳定性好、抗蠕变性能优异等优点，从而减少了正极板栅上活性物质易于软化、脱落的现象，可极大地提高铅酸蓄电池的使用寿命。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种铅酸蓄电池高强度板栅正极板，其特征在于，包括：正极板栅和涂覆于所述正极板栅表面的活性物质；其中，所述正极板栅由碳纤维增强铅基复合材料制成。

2.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，其特征在于，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分包括：炭纤维、石墨纤维和铅基。

3.根据权利要求2所述的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，其特征在于，所述铅基包括电解铅或合金铅。

4.根据权利要求3所述的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，其特征在于，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分重量百分比为：炭纤维0.1～50％、石墨纤维0.1～50％、电解铅或合金铅50～99.9％。

5.根据权利要求4所述的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，其特征在于，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分重量百分比为：炭纤维1～10％、石墨纤维1～10％、电解铅或合金铅80～98％。

6.根据权利要求5所述的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，其特征在于，所述碳纤维增强铅基复合材料的组分重量百分比为：炭纤维2.5％、石墨纤维1.5％、电解铅或合金铅96％。

7.根据权利要求2～6任一项所述的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，其特征在于，所述炭纤维和石墨纤维的比强度均为2000MPa，比模量均为250GPa。

8.根据权利要求1～6任一项所述的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，其特征在于，所述正极板栅由碳纤维增强铅基复合材料浇铸而成。

9.根据权利要求1～6任一项所述的铅酸蓄电池高强度板栅正极板，其特征在于，所述活性物质为二氧化铅。