CN102945951B - 铅炭复合材料的制备及利用该材料制作铅炭电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铅炭复合材料的制备方法，步骤为：1、活性炭团聚体的制备—按比例秤取活性炭、碳源，进行湿式球磨，后经喷雾干燥造粒，颗粒的中粒径在100μm以上；2、活性炭团聚体表面改性处理—将活性炭团聚体进行烧结，使其表面形成一层热解碳；3、活性炭团聚体的镀铅—将表面热解处理后的活性炭团聚体，进行真空镀铅，使得活性炭团聚体表面的镀铅量为30~80%，制得铅炭复合材料。还公开了采用铅炭复合材料制作电池的方法。采用铅炭复合材料制作电池，易于铅粉混合均匀，以便提高炭粉与铅膏、板栅之间的粘接力。从而提高物料间的导电能力。
Description
技术领域
本发明涉及炭材料表面镀铅处理的工艺方法，尤其涉及一种铅炭复合材料的制备以及利用该铅炭复合材料制作铅炭电池的方法。
背景技术
Ultra battery出现后，超级电容器部分和传统铅酸蓄电池负极板如何复合成为业界研究的一个焦点。超级电容器活性炭一般振实密度在0.25~0.40g/cm3之间，中粒径在5μm左右；铅酸蓄电池常用铅粉振实密度在4.5~5.0g/cm3之间，中粒径在5~10μm之间。在相似的粒径情况下，差异10倍以上的振实密度，使得这两种材料很难干混均匀。同时，铅酸蓄电池极板在固化时形成的腐蚀层，可以使铅膏之间以及铅膏与板栅之间形成牢固的网络，互相之间粘接效果良好。但是炭粉和铅膏、板栅之间，是不会形成腐蚀层的，没任何粘接效果。这就造成，即使混合均匀的铅粉和炭粉，在经过和膏、涂板的固化后，炭粉只是机械的包裹在铅粉之间。随着充放电过程中，铅与硫酸铅转化时，体积的巨大变化产生的应力，必然导致铅粉失去炭粉的包裹而游离到电解液中，甚至隔板空隙中，造成电池短路。同时在2%以上炭粉添加量的铅粉和炭粉混合物中，炭粉所占比例较大，造成铅粉颗粒之间接触点减少，铅粉与铅粉之间的腐蚀粘接效果下降，极板的强度较常规极板差很大，极板在循环过程中很容易丧失导电能力，而造成电池寿命迅速降低。
为了解决上述难题，一些企业和研究机构进行了各种努力尝试。中国专利CN102074702指出，通过电沉积的方法，将铅沉积到活性炭颗粒内部和活性炭颗粒之间空隙以制备铅炭复合材料。但该方法需要将电镀铅的活性炭涂层从母板上刮下，然后再应用到铅炭电池中。这种方法只能在炭涂层的一面镀铅，且铅层不能完全覆盖炭颗粒表面。且再经过机械粉碎处理后，炭颗粒表面的铅会进一步被破坏损伤。有的还在炭粉中加入粘接剂，如PVDF（聚偏四氟乙烯），SBR（丁苯橡胶）等。添加量一般占炭粉混合物的5~15%。但是这些高分子聚合物粘接剂本身是不导电的，添加到炭粉中起到的是负面作用，占据一定的空间、阻碍颗粒之间接触导电。粘接剂价格较高，不利于大面积推广使用。
发明内容
本发明为了解决以上述现有技术中存在的技术问题，提出一种铅炭复合材料的制备及利用该材料制作铅炭电池的方法。
本发明体提出的一种铅炭复合材料的制备方法，步骤如下：
步骤1：活性炭团聚体的制备
按比例秤取活性炭、碳源，将活性炭物料与碳源放进球磨机中进行湿式球磨；球磨一定时间后，取出浆料，经喷雾干燥造粒，使得颗粒的中粒径在100μm以上，获得表面覆盖了有机碳源的活性炭团聚体；
步骤2：活性炭团聚体表面改性处理
将所述的活性炭团聚体置于窑炉中烧结，使得活性炭团聚体表面的碳源热解形成热解碳；
步骤3：活性炭团聚体的镀铅
将表面热解处理后的活性炭团聚体，进行真空镀铅，通过控制真空镀铅的控制，使得活性炭团聚体表面的镀铅量为30~80%，制得铅炭复合材料。
本发明提出的采用所述铅炭复合材料制作电池的方法，步骤如下：
步骤1：制作铅膏
按比例秤取铅粉、短纤维、硫酸钡、导电炭黑和铅炭复合材料，将所述各物料通过机械进行干混，再按照蓄电池的常规工艺进行和膏处理，制得铅炭复合材料的铅膏；
其中，所述各物料组份按下列重量百分比配制：
铅粉：64~98.59%、短纤维：0.1~1.6%、硫酸钡：0.1~1.6%、导电炭黑：0.01~0.7%和铅炭复合材料：1.2~32.1%；
步骤2：制作含铅炭复合材料的铅膏的负极极板
按照蓄电池常规涂膏和固化工艺，将所述含铅炭复合材料的铅膏涂覆和固化，制得含铅炭复合材料的铅膏的负极极板；
步骤3：制作含铅炭复合材料的电池
将获得含有铅炭复合材料的负极极板与蓄电池的正极板、隔板和电解液按照蓄电池工艺进行装配、化成，制得具备铅碳电池特性的蓄电池。
本发明这种表面镀铅的活性炭团聚体，其振实密度得到一定提高，可以达到0.5g/cm3以上，更易于铅粉混合均匀。最重要的是在不添加粘接剂的情况下，炭颗粒表面的铅与铅膏、板栅之间可以形成腐蚀层，大幅提高了炭粉与铅膏、板栅之间的粘接力。活性炭团聚体与铅膏、板栅之间紧密接触，不存在不导电的高分子聚合物粘接剂，颗粒间的导电能力获得比较大的提高。现有电容活性的活性炭颗粒，本身没有导电能力，通常必须混入一定量的导电石墨、导电炭黑形成导电网络，才能发挥其电容作用。使用本发明表面镀铅的活性炭团聚体，可以降低导电炭黑、导电石墨的用量。因为铅本身是电的良导体，而互相接触的活性炭团聚体表面的镀铅层可以提供良好的导电渠道。
具体实施方式
下面通过实施例来详细的说明本发明
本发明提供的铅炭复合材料的制备方法，步骤如下：
步骤1：活性炭团聚体的制备
按比例秤取活性炭或者活性炭与添加成分混合物等物料、碳源，将活性炭等物料与碳源放进球磨机中进行湿式球磨。其中，碳源可以是蔗糖、树脂等。球磨机的转速为100~1000转/分钟，优选500~800转/分钟。根据球磨量的不同，确定球磨一定时间后，取出浆料，通过喷雾塔进行干燥造粒，使得颗粒的中粒径在100μm以上，获得表面覆盖了有机碳源的活性炭团聚体。
其中：活性炭等物料占总重量的百分比为90~99 %，碳源占总重量的百分比为1~10 %。本实施例可以选取，如：活性炭90%、碳源10 % ；或 活性炭99%、碳源1%；或 活性炭95%、碳源5 %。
步骤2：活性炭团聚体表面改性处理
将表面覆盖了有机碳源的活性炭团聚体置于窑炉中烧结，烧结温度为
400~1000摄氏度，优选600~800摄氏度。根据烧结量确定烧结时间，使得活性炭团聚体表面的碳源热解形成热解碳。热解碳形成的包覆可以增强团聚体的结构强度，而具有良好导电能力的热解碳也能改善活性炭团聚体的导电能力。
步骤3：活性炭团聚体的镀铅
将表面热解处理后的活性炭团聚体，进行真空镀铅。因为活性炭团聚体是具有较大比表面积的粉料堆积体，进行真空镀时，粉料堆只有表面炭材料吸附镀铅。为使活性炭团聚体都能镀铅，可以在镀铅过程中，通过气流、或者机械方式对活性炭团聚体粉料进行搅拌，使活性炭团聚体粉料表面都能在镀铅过程中暴露在铅蒸汽中。通过控制真空镀铅的时间控制，使得活性炭团聚体表面的镀铅量为30~80%，制得铅炭复合材料。真空镀铅的控制时间为0.1~1小时。
本发明提供的采用铅炭复合材料制作电池的方法，步骤如下：
步骤1：制作铅膏
按比例秤取铅粉、短纤维、硫酸钡、导电炭黑和铅炭复合材料，将所述各物料通过机械进行干混，再按照蓄电池的常规工艺进行和膏处理，制得铅炭复合材料的铅膏。
其中，所述各物料组份按下列重量百分比配制：
铅粉：64~98.59%、短纤维：0.1~1.6%、硫酸钡：0.1~1.6%、导电炭黑：0.01~0.7%和铅炭复合材料：1.2~32.1%。
本实施例各物料可以选取：
（1）、铅粉：81.3%、短纤维：0.85%、硫酸钡：0.85%、导电炭黑：0.35%和铅炭复合材料：16.65%；
或
（2）、铅粉：64%、短纤维：1.6%、硫酸钡：1.6%、导电炭黑：0.7%和铅炭复合材料：32.1%；
或
（3）、铅粉：98.59%、短纤维：0.1%、硫酸钡：0.1%、导电炭黑：0.01%和铅炭复合材料：1.2%。
步骤2：制作含铅炭复合材料的铅膏的负极极板
按照蓄电池常规涂膏和固化工艺，将含铅炭复合材料的铅膏涂覆和固化，制得含铅炭复合材料的铅膏的负极极板。由于活性炭团聚体表面有镀铅层，在和膏和固化时，活性炭团聚体表面镀铅层与铅粉、板栅共同参与界面腐蚀反应，将活性炭团聚体、铅膏和板栅牢固粘接在一起。
步骤3：制作含铅炭复合材料的电池
将获得含有铅炭复合材料的负极极板与蓄电池的正极板、隔板和电解液按照蓄电池工艺进行装配、化成，制得具备铅碳电池特性的蓄电池。
以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种采用铅炭复合材料制作电池的方法，包括步骤如下：
步骤一：制作铅膏
按比例秤取铅粉、短纤维、硫酸钡、导电炭黑和铅炭复合材料，将所述各物料通过机械进行干混，再按照蓄电池的常规工艺进行和膏处理，制得铅炭复合材料的铅膏；
其中，所述各物料组份按下列重量百分比配制：
铅粉：64～98.59％、短纤维：0.1～1.6％、硫酸钡：0.1～1.6％、导电炭黑：0.01～0.7％和铅炭复合材料：1.2～32％；
所述的铅炭复合材料的制备步骤如下：
步骤1：活性炭团聚体的制备
按比例秤取活性炭、碳源，将活性炭物料与碳源放进球磨机中进行湿式球磨；球磨一定时间后，取出浆料，经喷雾干燥造粒，使得颗粒的中粒径在100μm以上，获得表面覆盖了有机碳源的活性炭团聚体；
步骤2：活性炭团聚体表面改性处理
将所述的活性炭团聚体置于窑炉中烧结，使得活性炭团聚体表面的碳源热解形成热解碳；
步骤3：活性炭团聚体的镀铅
将表面热解处理后的活性炭团聚体，进行真空镀铅，通过控制真空镀铅的时间为0.1～1小时，使得活性炭团聚体表面的镀铅量为30～80％，制得铅炭复合材料；
所述活性炭占总重量的百分比为90～99％，碳源占总重量的百分比为1～10％；
步骤二：制作含铅炭复合材料的铅膏的负极极板
按照蓄电池常规涂膏和固化工艺，将所述含铅炭复合材料的铅膏涂覆和固化，制得含铅炭复合材料的铅膏的负极极板；
步骤三：制作含铅炭复合材料的电池
将获得含有铅炭复合材料的负极极板与蓄电池的正极板、隔板和电解液按照蓄电池工艺进行装配、化成，制得具备铅碳电池特性的蓄电池。
2.如权利要求1所述制作电池的方法，其特征在于，所述球磨机的转速为100～1000转/分钟。
3.如权利要求1所述制作电池的方法，其特征在于，所述烧结温度为400～1000摄氏度。
4.如权利要求1所述制作电池的方法，其特征在于，所述真空镀铅过程中，通过气流、或者机械方式对活性炭团聚体进行搅拌，使得活性炭团聚体表面暴露在铅蒸汽中。
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