CN102931380B - 动力型铅酸蓄电池正极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力型铅酸蓄电池正极板，该正极板包括：正极板栅和涂覆于正极板栅表面的由二氧化铅中混入短切碳纤维增强材料制成的活性物质层。本发明所提供的动力型铅酸蓄电池正极板，其正极活性物质中混合了短切碳纤维材料，碳纤维材料具有较高的比强度和比模量，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，使得正极板具有高强度、高强承载能力及较强的抗蠕变能力，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

动力型铅酸蓄电池正极板

技术领域

本发明涉及蓄电池技术领域，尤其涉及一种动力型铅酸蓄电池正极板。

背景技术

能源是现代社会发展的基础，是现代人们赖以生存的必需。在人们日渐关注环保和绿色能源的今天，电动车这种轻便快捷、无污染、使用成本低的交通工具，已越来越普及。给电动车提供电能的设备为蓄电池，即蓄电池是电动车的能源。目前，应用于电动车上的蓄电池多为铅酸蓄电池（约占市场份额的95%以上），这得益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，从而造成资源损耗多的问题。根据多项研究表明，造成电动车用动力型铅酸蓄电池寿命短的主要原因之一是：铅酸蓄电池正极板上的活性物质（一般为二氧化铅）软化，进而使得正极活性物质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、脱落的原因与作为电动车动力的这种铅酸电池的使用条件是密切相关的。动力型铅酸电池的使用状况是重负荷、深循环，在这种使用条件下，电池的正极活性物质在多次深充电和深放电后，活性物质之间以及活性物质与板栅之间的结合减弱，并且电池深循环使用，充电时间长，正极活性物质受到充电时存在的析氧冲击严重，活性物质密度下降，最后软化脱落，导致电池失效。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种动力型铅酸蓄电池正极板，该正极板能有效的提高动力型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：

一种动力型铅酸蓄电池正极板，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层；其中，所述的活性物质层由二氧化铅中混入短切碳纤维增强材料制成。

优选的，上述动力型铅酸蓄电池正极板中，所述正极板栅为电解铅。

优选的，上述动力型铅酸蓄电池正极板中，所述短切碳纤维增强材料的总重量占活性物质层铅重量的0.0001~0.09%。

优选的，上述动力型铅酸蓄电池正极板中，所述短切碳纤维增强材料的组分包括：炭纤维、石墨纤维和分散剂。

进一步的，上述动力型铅酸蓄电池正极板中，所述炭纤维和石墨纤维的比强度均为2000MPa，比模量均为250GPa，长度为2~6mm。

优选的，上述动力型铅酸蓄电池正极板中，所述分散剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素中的一种或多种。

优选的，上述动力型铅酸蓄电池正极板中，所述短切碳纤维增强材料的组分重量百分比为：炭纤维5~70%、石墨纤维5~70%、分散剂1~45%。

进一步的，上述动力型铅酸蓄电池正极板中，所述短切碳纤维增强材料的组分重量百分比为：炭纤维15~55%、石墨纤维20~60%、分散剂5~35%。

特别的，上述动力型铅酸蓄电池正极板中，所述碳纤维增强材料的组分重量百分比为：炭纤维35%、石墨纤维40%、分散剂25%。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的动力型铅酸蓄电池正极板，由于其正极活性物质中加入了具有较高的比强度和比模量的碳纤维增强材料，所制成的正极板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；且由于正极活性物质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，所述正极板的结构强度依旧不变，从而大大提高了所述正极板的抗蠕变能力，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中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明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是本发明实施例提供的一种动力型铅酸蓄电池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详细的描述，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的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。

铅酸蓄电池的正极活性物质是由和β-PbO₂这两种二氧化铅晶型组成的，其中具有较好的机械强度和较大的尺寸，由所形成的多晶网络可以作为活性物质的骨骼，在正极活性物质中起网络和骨骼作用，使正极活性物质的结构得以完整，而使电极具有较长的寿命。而β-PbO₂具有较小的尺寸和较大的比表面积，电化学活性强于，可给出大的比容量，是电极容量的主要提供者，所以正极的活性和寿命受和β-PbO₂在二氧化铅中各占比例的影响。在铅酸电池的酸性电解液中，随着循环的进行和β-PbO₂的相对含量会发生变化，因为在酸性较强的溶液中，电池放电时生成PbSO₄，放电产物PbSO₄充电时氧化成β-PbO₂，所以在电池充放电的循环中，会逐渐转化为β-PbO₂。这种转化在电池循环的初期电池容量会逐渐升高，但随着充放电的深入进行，正极物质中的相对比例越来越小，从而网络受到削弱和破坏，正极活性物质的结构强度变弱，活性物质之间的结合力逐渐减弱，并且在电池充电的过程中析氧的冲击下，整个正极活性物质的密度下降，最终导致正极活性物质软化并脱落，电池寿命终止。

此外，重负荷、深循环使用的铅酸电池，其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，板栅的尺寸线性增大。因腐蚀的最终产物PbO₂的分子体积大约为铅体积的1.4倍，再加上腐蚀产物PbO₂薄膜具有一定的孔隙，这样腐蚀产物的体积比铅合金体积大得多，使板栅金属处于应力状态下，板栅逐渐发生蠕变而线性长大，也是造成电池正极活性物质容易软化脱落的一个重要因素。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，所以整个正极板物质体积要增加，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，整个正极的体积也会增长，正极膨胀，在电池充电时PbSO₄又转化为PbO₂，这样孔隙率随着循环次数的增加而增加，正极发生了严重膨胀，孔隙率过分增加，活性物质颗粒之间的结合力降低，电接触被破坏，电池失效。

而造成正极活性物质软化、脱落的原因与作为电动车动力的这种铅酸电池的使用条件是密切相关的。动力型铅酸电池的使用状况是重负荷、深循环，在这种使用条件下，电池的正极活性物质在多次深充电和深放电后，活性物质之间以及活性物质与板栅之间的结合减弱，并且电池深循环使用，充电时间长，正极活性物质受到充电时存在的析氧冲击严重，活性物质密度下降，最后软化脱落，导致电池失效。

因此，为了提高动力型铅酸蓄电池的使用寿命，亟待解决的问题是：提高正极板的强度和抗蠕变能力。

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，本发明提供一种动力型铅酸蓄电池正极板，参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种动力型铅酸蓄电池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表面的活性物质层2；其中，所述的活性物质层2由二氧化铅中混入短切碳纤维增强材料制成；其中，所述正极板栅1物质为电解铅。

本发明实施例中所述的短切碳纤维增强材料的组分包括：炭纤维、石墨纤维和分散剂；其中，所述分散剂选自甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素中的一种或多种。

所述正极板的具体制作过程为：首先将炭纤维、石墨纤维加入到分散剂中制成碳纤维分散剂；然后将其加入到正极铅粉中进行均匀搅拌，接着将均匀混合了碳纤维分散剂的正极铅粉按正常工艺和配方制成正极铅膏（主要成分为二氧化铅），将所述正极铅膏涂覆在正极板栅上形成正极板。

本实施例中所述正极板栅可通过浇铸工艺或拉网工艺制作而成，对此，本发明并无特别限制。

所述短切碳纤维增强材料的组分重量百分比可以为：炭纤维5~70%、石墨纤维5~70%、分散剂1~45%。优选的，所述短切碳纤维增强材料的组分重量百分比可以为：炭纤维15~55%、石墨纤维20~60%、分散剂5~35%。更优的，所述碳纤维增强材料的组分重量百分比为：炭纤维35%、石墨纤维40%、分散剂25%。所述短切碳纤维增强材料的总重量占正极铅膏中铅重量的0.0001~0.09%。

所述炭纤维和石墨纤维的比强度均为2000MPa，比模量均为250GPa，长度均为2~6mm。但两者在由短切碳纤维增强材料制成的正极活性物中具有不同的功效：所述炭纤维使得正极板具备高比模量和高比强度，而所述石墨纤维使所述正极板保持良好的电传导性能。

本发明中，由混合了短切碳纤维增强材料的正极铅膏制成正极板的工艺参照现有技术，本发明不作任何限定。

本发明所提供的动力型铅酸蓄电池正极板具有如下优点：

1、本发明所提供的动力型铅酸蓄电池正极板，在普通正极活性物质二氧化铅中混合了新一代增强材料碳纤维，并用此制成正极板，从而使得所述正极板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、本发明所提供的动力型铅酸蓄电池正极板，由于正极活性物质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，正极板中碳纤维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，本发明所提供的动力型铅酸蓄电池正极板的结构强度依旧不变。

3、本发明所提供的动力型铅酸蓄电池正极板，由碳纤维增强材料制成的正极板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、本发明所提供的动力型铅酸蓄电池正极板，由于正极板是由混合了碳纤维增强材料的铅粉制成，因此大大增强了正极板的结构强度和尺寸稳定性，减少了正极板上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。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种动力型铅酸蓄电池正极板，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层；其中，所述的活性物质层由二氧化铅中混入短切碳纤维增强材料制成，所述短切碳纤维增强材料的组分包括：炭纤维、石墨纤维和分散剂。

2.根据权利要求1所述的动力型铅酸蓄电池正极板，其特征在于：所述正极板栅为电解铅。

3.根据权利要求1所述的动力型铅酸蓄电池正极板，其特征在于：所述短切碳纤维增强材料的总重量占活性物质层铅重量的0.0001～0.09％。

4.根据权利要求1所述的动力型铅酸蓄电池正极板，其特征在于：所述分散剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的动力型铅酸蓄电池正极板，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，长度为2～6mm。

6.根据权利要求1所述的动力型铅酸蓄电池正极板，其特征在于：所述短切碳纤维增强材料的组分重量百分比为：炭纤维5～70％、石墨纤维5～70％、分散剂1～45％。

7.根据权利要求6所述的动力型铅酸蓄电池正极板，其特征在于：所述短切碳纤维增强材料的组分重量百分比为：炭纤维15～55％、石墨纤维20～60％、分散剂5～35％。

8.根据权利要求7所述的动力型铅酸蓄电池正极板，其特征在于：所述碳纤维增强材料的组分重量百分比为：炭纤维35％、石墨纤维40％、分散剂25％。