CN102969511A - 碳纤维复合板栅及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合板栅及其制备方法，所述碳纤维复合板栅是注塑碳纤维复合基本材料而成型；复合基本材料是由塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45-55wt％∶15-25wt％∶25-35wt％混合而得。采用碳纤维复合基本材料制造板栅，取代合金铅板栅，有效的减少了电池重量，提高电池的质量比能量性能；大大减少用铅量，减少环境污染；对预防和整治电池行业重金属污染，对工人劳动保护，环境保护起到巨大作用。

Description

碳纤维复合板栅及其制备方法

技术领域

本发明属于蓄电池领域，具体地说，本发明涉及一种用于铅酸蓄电池的碳纤维复合板栅及其制备方法，以及包含碳纤维复合板栅的碳纤维复合胶体电池。

背景技术

目前市面上大量使用的铅酸蓄电池是以铅作板栅，以硫酸作电解液，铅酸蓄电池应用至今已有150年历史。虽然铅酸蓄电池有污染大，体积大，重量大，充电慢的缺点；但其对于其它类型蓄电池来讲，也有成本低，安全，容量大的优点。因此，铅酸蓄电池仍然在各行各业广泛应用。

针对铅酸蓄电池的缺陷，国外发明了胶体铅酸蓄电池。它以气相二氧化硅做成胶，加上添加剂配成胶体电解液，取代纯硫酸电解液。胶体蓄电池提高了电池充放电能力，储存时间，使用寿命等指标；胶体电解液呈弱酸，减少对环境污染。胶体电池需要增加约1％-2％的成本，电池行业利润低，市场竞争激烈，因此胶体电池问世以来，虽然有一定的优点，但却一直无法推广。并且胶体电池虽然在一定程度对铅酸蓄电池进行改良，但没有根本上改变铅酸蓄电池的缺陷：体积大，重量重，质量比能量低的缺点。

针对铅酸电池对环境造成的严重污染，危害人民身体健康；为贯彻落实国务院《关于加强重金属污染防治工作的指导意见》(国办发〔2009〕61号)，推动电池行业重金属污染的综合预防，整顿蓄电池行业；国家工信部在2010年11月26日发布了《电池行业重金属污染综合预防方案见征集，提出铅酸蓄电池的发展方向。

传统铅酸蓄电池的板栅用铅量制造，重量重，污染大，限制了蓄电池行业的发展。传统铅酸电池工艺流程见附图1。

发明内容

基于此，本发明是针对铅酸蓄电池的缺陷，对铅酸电池的铅板栅进行创新；提供了一种碳纤维复合板栅及其制备方法，取代传统铅酸蓄电池的铅板栅。

一种碳纤维复合板栅，所述碳纤维复合板栅是通过注塑碳纤维复合基本材料而成型的；所述碳纤维复合基本材料由塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45-55wt％∶15-25wt％∶25-35wt％混合而得。

板栅在传统铅酸蓄电池的作用一是支承，即能填充铅膏，使铅膏不脱落；不变形。二是输入输出，即板栅电阻小，能大电流充电放电；三是耐硫酸，即抗硫酸腐蚀。板栅不参加化学反应，决定电池性能好坏是主要铅膏，是装配工艺。碳纤维复合基本材料做板栅能同时满足上述要求。

活性聚合物聚苯胺是具有共轭π键的聚合物经化学和电化学“掺杂”后形成的，通过“掺杂”使其电导率从绝缘体范围转入导体范围。它与普通树脂PP制成共混“导电塑料合金”。它具有导电性在大范围内可调、力学性能好、易加工成型、耐酸等特点。添加碳纤维后，导电性能进一步提高，常温下电导率达到10³/Ω·m。

在其中一个实施例中，所述碳纤维复合基本材料由塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45wt％∶22wt％∶33wt％混合而得。

在其中一个实施例中，所述碳纤维复合板栅的电导率≥10³/Ω·m。碳纤维的电导率为10⁵/Ω·m，用碳纤维复合基本材料制造的碳纤维复合板栅电导率≥10³/Ω·m，接近铅的电导率，基本满足板栅要求。

本发明还提供了上述碳纤维复合板栅的制备方法，包括以下步骤：

(1)设计板栅

直栅枝以极耳为中心，向下呈放射线排列；相邻行横栅枝以横向剖面中心线为基准，呈镜像排列；每片板栅都独立设置有极耳；

(2)开模具

根据步骤(1)设计好的板栅开模具；

(3)混合造粒

将塑料PP、活性聚合物聚苯胺和碳纤维混合，制成条状颗粒，得到碳纤维复合基本材料；

(4)注塑制板

将碳纤维复合基本材料注入模具中，热注塑，得到碳纤维复合板栅。

在其中一个实施例中，步骤(1)中每片所述板栅的正板栅的容量为8.5Ah，负板栅的容量为7Ah。

在其中一些实施例中，步骤(2)中所述塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45-55wt％∶15-25wt％∶25-35wt％。

在其中一个实施例中，所述塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45wt％∶22wt％∶33wt％。

本发明还提供了一种碳纤维复合胶体电池，包括上述碳纤维复合板栅。

本发明具有以下优点：

1)采用碳纤维复合基本材料制造板栅，取代合金铅板栅，总的用铅量减少35％以上，大大减少污染。

传统铅酸蓄电池的铅板栅用铅量占总的用铅量的35％。连接桥、跨桥、接线柱用铅量为5％，铅膏用铅量为60％。铅膏用铅量不变情况下，采用本发明的碳纤维复合板栅，取代传统铅酸蓄电池的铅板栅；把连接桥、跨桥、接线柱也改用碳纤维复合材料，在同等容量情况下，重量减轻了40％左右，大大减少污染，对预防和整治电池行业重金属污染，对工人劳动保护，环境保护起到巨大作用。

2)碳纤维复合基本材料具有良好导电性、优异的化学稳定性和抗侵蚀能力，常温下不受任何强酸、强碱及有机溶剂的侵蚀。

3)铅的比重为11.34g/cm³，而碳纤维复合材料的比重为1.3g/cm³，约为铅比重的九分之一；同样容量的板栅，使用碳纤维复合材料的重量远小于铅的量。使用本发明的碳纤维复合板栅制作的电池，在相同容量情况下，比能量增大50％，达到60w/kg。最好的铅酸蓄电池质量比能量可达到40w/kg，所以从电池质量比能量角度比较，制造同样重量的电池，碳纤维复合板栅制作的电池容量远大于传统的铅酸蓄电池，用铅量可节约60％。

4)焊接工艺新

电池串联、并联所用的连接件均采用碳纤维复合材料制造，与板栅同一材质，因此可用超声焊接的新工艺，取代传统铅酸蓄电池烧焊工艺，进行极板连接。新工艺大大减少环境污染，改善工人劳动强度，更好预防职业病。在本发明中，两工件焊接后，施以20kg拉力，接点不开裂，接点没增加接触电阻。

5)采用本发明的碳纤维复合板栅做成的碳纤维复合蓄电池，电解液使用纳米硅电解液，电池寿命比传统铅酸蓄电池长；纳米硅电解液呈弱酸性。电池报废时，比传统铅酸蓄电池好处理。

附图说明

图1为传统铅酸电池工艺流程图；

图2为本发明实施例1的碳纤维复合工艺流程图；

图3A为本发明实施例1的碳纤维复合板栅的正板栅正视图；

图3B为图3A中的正板栅的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来详细说明本发明。

实施例1碳纤维复合板栅

碳纤维复合板栅

该实施例的碳纤维复合板栅是通过注塑碳纤维复合基本材料而成型的；所述碳纤维复合基本材料由塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45wt％∶22wt％∶33wt％混合而得。

制备方法

该实施例的碳纤维复合板栅的制备方法包括如下步骤：

(1)设计板栅

板栅设计如图3所示，其形状的主要特征为：垂直栅枝以极耳为中心，向下呈放射线排列；相邻行横栅枝以横向剖面中心线为基准，呈镜像排列；每片板栅都独立设置有极耳；每片板栅的正板栅厚3mm，可涂活性物质75g(8.5g活性物质可产生电量为1Ah)，可产生电量8.8Ah，取8.5Ah；负板栅厚2.1mm，可涂活性物质50g(负极板的活性物质利用率远远超过正极板，大约6.5g活性物质可产生电量为1Ah)，可产生电量7.7Ah，取7Ah。蓄电池每格为3正4负，每格3块正板栅可产生25.5Ah电量；4块负板栅可产生28Ah电量。

(2)开模具

根据碳纤维复合基本材料的物性，根据板栅设计图开模具；模具其它的技术要求与通常塑料模具大致相同。

(3)混合造粒

将塑料PP、活性聚合物聚苯胺和碳纤维混合，制成条状颗粒，得到碳纤维复合基本材料；塑料PP(俗称腈纶)、活性聚合物聚苯胺及碳纤维市面很容易大宗购买。

(4)注塑制板

将碳纤维复合基本材料注入模具中，用注塑机热注塑，得到碳纤维复合板栅，电导率为5×10³/Ω·m。

包含该实施例的碳纤维复合板栅的碳纤维复合胶体电池。

碳纤维复合板栅经涂膏后，采用超声焊接的新组装工艺，取代烧焊工艺，进行极板连接；采用纳米硅制胶技术做成胶体，配制纳米硅电解液灌注蓄电池，以进一步提高电池各种性能。

除了上述生产工艺外，传统铅酸蓄电池的其它工艺(见附图1)、工序予以保留：包括和膏、涂膏、固化、组片、焊接、短路检测、密封、气密检测、灌胶、化成(蓄电池灌注纳米硅电解液后，可按设计好的充放电方法，不需外化成，实行内化成，减少污染)、外壳丝印、打码、清洁、包装等工序，最后做成“碳纤维复合胶体电池”。

其具体的工艺流程如下(请参见附图2)：

(1)涂膏

碳纤维复合板栅分别涂上正板铅膏和负板铅膏后，得碳纤维复合正、负极板；正板铅膏和负板铅膏可用传统铅酸蓄电池铅膏配方。正板栅每片涂膏量为75g，极板设计容量可达8.5Ah。负板栅每片涂膏量为50g，极板设计容量可达7Ah。

(2)固化

涂好膏的碳纤维复合正、负极板参照传统铅酸蓄电池固化工艺进行48小时湿固化、干固化。

(3)包板组片

参照传统铅酸蓄电池包板组片，正极板用AGM隔板包裹，然后按正、负相间叠加，采用国标6-FM17的阀控电池盒，单格装3正4负极板，得到2V25.5Ah的设计容量，装满6格为12V25.5Ah的设计容量电池。

(4)焊接

根据需串联、并联点，用碳纤维复合基本材料做成连接件，因电池串联、并联所用的连接件采用碳纤维复合基本材料制造，与板栅同一材质，因此可用超声焊接的新工艺，取代传统铅酸蓄电池烧焊工艺，进行极板连接。在本实例中，两工件焊接后，施以20kg拉力，接点不开裂，接点也没有增加接触电阻。

(5)灌电解液

采用纳米硅制胶技术做成胶体，配制纳米硅电解液灌注蓄电池，以进一步提高电池各种性能。

(6)化成

蓄电池灌注纳米硅电解液后，极板不需外化成，可直接充放电，实行内化成。内化成需45小时，最后做成“碳纤维复合胶体电池”。

用本实施例的碳纤维复合板栅组装的电池重量为5.04kg。8.5Ah碳纤维复合正板栅每片重10g，涂膏后重85g；7Ah碳纤维复合负板栅每片重7g，涂膏后重57g；采用国标6-FM17的阀控电池盒，单格装3正4负极板；采用碳纤维复合接线柱和汇流排/跨桥组装工艺制成的电池实测容量为12V25Ah，比能量达到59.5w/kg。比一般蓄电池的比能量40w/kg提升了约50％。

相同容量的碳纤维复合胶体电池因重量轻，在电动助力车使用，其优点更为突出。这是因为电池重量减轻相当于负荷减小，电动车可跑得更远。因此碳纤维复合胶体电池从根本上改变铅酸蓄电池体积大，重量重，污染大的缺陷，是一种真正的节能、环保、高效的绿色能源产品。

实施例2

该实施例的碳纤维复合板栅是通过注塑碳纤维复合基本材料而成型的；所述碳纤维复合基本材料由塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝50wt％∶20wt％∶30wt％混合而得。电导率为4×10³/Ω·m

该实施例的碳纤维复合板栅的制备方法、包含碳纤维复合板栅的胶体电池的制备方法同实施例1。

得到的胶体电池的电池重量为5.04kg，实测容量为12V24.5Ah。

实施例3

该实施例的碳纤维复合板栅是通过注塑碳纤维复合基本材料而成型的；所述碳纤维复合基本材料由塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝55wt％∶18wt％∶27wt％混合而得。电导率为3×10³/Ω·m。

该实施例的碳纤维复合板栅的制备方法、包含碳纤维复合板栅的胶体电池的制备方法同实施例1。

得到的胶体电池的电池重量为5.03kg，实测容量为12V24Ah。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式之一，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种碳纤维复合板栅，其特征在于，所述碳纤维复合板栅是通过注塑碳纤维复合基本材料而成型的，所述碳纤维复合基本材料由塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45-55wt％∶15-25wt％∶25-35wt％混合而得。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合板栅，其特征在于，所述塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45wt％∶22wt％∶33wt％。

3.根据权利要求1或2所述的碳纤维复合板栅，其特征在于，所述碳纤维复合板栅的电导率≥10³/Ω·m。

4.一种制备碳纤维复合板栅的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设计板栅

垂直栅枝以极耳为中心，向下呈放射线排列；相邻行横栅枝以横向剖面中心线为基准，呈镜像排列；每片板栅都独立设置有极耳；

(2)开模具

根据步骤(1)设计好的板栅开模具；

(3)混合造粒

将塑料PP、活性聚合物聚苯胺和碳纤维混合，制成条状颗粒，得到碳纤维复合基本材料；

(4)注塑制板

将碳纤维复合基本材料注入模具中，热注塑，得到碳纤维复合板栅。

5.根据权利要求4所述的制备碳纤维复合板栅的方法，其特征在于，步骤(1)中每片所述板栅的正板栅的容量为8.5Ah，负板栅的容量为7Ah。

6.根据权利要求4所述的制备碳纤维复合板栅的方法，其特征在于，步骤(2)中所述塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45-55wt％∶15-25wt％∶25-35wt％。

7.根据权利要求6所述的制备碳纤维复合板栅的方法，其特征在于，所述塑料PP∶活性聚合物聚苯胺∶碳纤维＝45wt％∶22wt％∶33wt％。

8.一种碳纤维复合胶体电池，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的碳纤维复合板栅。

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