CN103000855A - 碳纤维复合材料蓄电池的组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料蓄电池的组装方法，包括连接件的制备和连接件的连接，所述连接件由碳纤维复合材料制备而成；所述连接件的连接采用超声波焊接进行连接。本发明的组装方法克服了传统铅酸蓄电池的缺陷，采用碳纤维复合材料取代铅做成极耳、接线柱、汇流排/跨桥，减少用铅量；连接件的连接采用超声波焊接工艺代替乙炔、氧气的气体烧焊工艺，降低焊接过程对环境污染，改善工作环境，保护工人身体健康。

Description

碳纤维复合材料蓄电池的组装方法

技术领域

本发明涉及蓄电池材料领域，特别是涉及一种碳纤维复合材料蓄电池的组装方法。

背景技术

铅酸蓄电池应用的，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。

目前市面大量使用的传统铅酸蓄电池工艺流程是用铅制铸造板栅；经过涂膏，做成极板；把正极板和负极板用AGM或PE等绝缘材料进行包板；按正负相间组片，装入每个电池格中；再经焊接、密封、接线柱焊接、二次密封、气密检测、短路检测、灌酸、充电、清洁、打码、包装等等工序，最后出厂。

传统铅酸蓄电池每个电池格的电压是2V，在组片、焊接步骤中，为了增大电压，通常根据电池需要电压，把若干个2V电池格串联。为了增大容量（电流），通常根据电池需要容量把若干个2V电池格内的正、负极板分别并联。无论是要增大电压，或要增大容量（电流），通常根据电池需要电压、容量（电流），都要把需要连接地方先浇注好接线柱、汇流排/跨桥，然后使用乙炔、氧气、空气压缩机进行烧焊。在焊接步骤中，端板至接线柱也是使用乙炔、氧气、空气压缩机进行烧焊。

接线柱、汇流排/跨桥的制作工序中，需先把铅融化，倒入模具来铸造部件，会产生了大量的铅蒸汽；在烧焊时，也会产生大量的铅蒸汽；并且在烧焊时产生高温，带来安全隐患。传统铅酸蓄电池组装工艺流程见图1。

铅蒸汽对人体健康带来极大损害。2010年我国发生了多起大人、小孩铅中毒恶性事件，引起全社会高度关注，强烈要求整顿蓄电池行业。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》意见征集，提出铅酸蓄电池的发展方向。

传统铅酸蓄电池的板栅、连接件均用铅量制造，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请见附图1，其中铅条切粒、热铸板栅、汇流排气体焊接、跨桥气体焊接、端子气体焊接、灌硫酸电解液等工序是传统铅酸电池污染最大的工序。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料蓄电池的组装方法。

具体的技术方案如下：

一种碳纤维复合材料蓄电池的组装方法，包括连接件的制备和连接件的连接，所述连接件由碳纤维复合材料制备而成；所述连接件的连接采用超声波焊接进行连接。

在其中一些实施例中，所述碳纤维复合材料由：重量百分比为45-55wt%：15-25wt%：25-35wt%的塑料PP：活性聚合物：碳纤维混合而得。

在其中一些实施例中，所述碳纤维复合材料由：重量百分比为45wt%：22wt%：33wt%的塑料PP：活性聚合物：碳纤维混合而得。

在其中一些实施例中，所述活性聚合物为聚苯胺。

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10⁵/Ω·m。

在其中一些实施例中，所述连接件包括：极耳、接线柱、汇流排、跨桥。

在其中一些实施例中，所述连接件的电导率≥10³/Ω·m。

本发明的目的是针对铅酸蓄电池焊接工艺流程的缺陷，对铅酸电池连接方式进行全面创新。根据我们碳纤维复合材料板栅的材料结构，提出了用碳纤维复合材料板栅的材料取代铅做成连接件（接线柱、汇流排/跨桥）；连接件之间的连接用超声波焊接工艺取代用乙炔、氧气的气体烧焊工艺。

用碳纤维复合材料制备得到的碳纤维复合极耳、接线柱、汇流排/跨桥的电导率≥10³/Ω·m，与铅的电导率相近，可作为极间连接用。

本发明碳纤维复合材料蓄电池的组装方法继承了传统铅酸蓄电池的优点，克服了传统铅酸蓄电池的缺陷。用碳纤维复合材料板栅的材料取代铅做成的接线柱、汇流排/跨桥，减少用铅量，去除焊接过程对环境污染；降低工人的劳动强度，改善工作环境，保护工人身体健康。

碳纤维复合材料胶体蓄电池组装工艺流程见图2，其中碳纤维复合材料造粒、注塑板栅、汇流排超声波焊接、跨桥超声波焊接、端子超声波焊接、灌胶体电解液等步骤是对传统铅酸电池相应工序的改进。

碳纤维复合材料做成的接线柱、汇流排/跨桥的连接件、极耳（碳纤维复合材料板栅带有）都是用碳纤维复合材料制作，是同质材料，因此可用超声波焊接方式，实现2V电池格并联和若干个2V电池格串联，做成各种不同电流、电压规格的蓄电池。

超声波焊接设备的工作原理是超声波发生器产生15kHz的高压、高频电信号，通过换能器系统，把电信号转换为高频机械振动，加于塑料制品工件上，通过工件表面摩擦而使接口的温度升高，当温度达到工件本身的熔点时，时，使接口迅速熔化，继而填充了接口间的空隙。当振动停止时，工件在一定压力下冷却定形。超声波焊接设备适合我们特有的碳纤维复合材料板栅极耳、接线柱、汇流排/跨桥焊接，接点可承受较大拉力。市面上的超声波焊机焊头一般是固定的，不能移动，需把固定的焊头改为可移动式的手握焊钳，才能在电池的焊接工作面上焊接。

需要串联时，前一个2V电池格的负极板和后一个2V电池格的正极板的极耳用碳纤维复合材料做成的跨桥以超声波焊方式焊接，使多个2V电池格串联；如果要加大容量，则在2V电池格，用碳纤维复合材料做成的汇流排分别把正极板与正极板，负极板与负极板的极耳以超声波焊接方式焊接，实现并联。

碳纤维复合材料汇流排/跨桥设计为一体，通过超声波焊接，实现串联、并联的功能。

所述极板连接步骤中，当相邻的2V电池格需要串联连接时，将所述相邻的正、负极耳、跨桥用超声波焊接；当2V电池格内的极板需要并联连接时，使用超声波焊接机，通过汇流排，分别把电池格内的正、负极耳焊接在一起。

本发明的组装方法有以下优点：

1.用热注塑方法生产碳纤维复合材料做成的极耳、接线柱、汇流排/跨桥的连接件工艺简单，不产生污染。而用铅制造接线柱、汇流排/跨桥过程中产生铅蒸汽，工作环境差。

2.连接件的连接采用超声波焊接方式取代用乙炔、氧气的气体烧焊方式；去除焊接过程对环境污染，降低工人的劳动强度，改善工作环境，保护工人身体健康。

3.以碳纤维复合材料做成的接线柱、汇流排/跨桥取代铅，减少用铅量。当相邻的2V电池格需要连接时（串联），将所述相邻的极耳、跨桥以超声波焊连接；当2V电池格内的极板需要连接时（并联），使用超声波焊把汇流排、极耳焊接在一起。

4.传统铅酸蓄电池的汇流排、跨桥、接线柱用铅量为5%以上。采用本发明的碳纤维复合材料取代铅汇流排、跨桥、接线柱，用铅量减少了5%以上，减少污染。

本装配方法比传统铅酸蓄电池装配方法简单、工艺可靠、提高了工作效率。

附图说明

图1为传统铅酸电池组装工艺流程图，其中铅条切粒、热铸板栅、汇流排气体焊接、跨桥气体焊接、端子气体焊接、灌硫酸电解液步骤是传统铅酸电池工艺污染最大的工序；

图2为碳纤维复合材料蓄电池组装工艺流程图，其中碳纤维复合材料造粒、注塑板栅、汇流排超声波焊接、跨桥超声波焊接、端子超声波焊接、灌胶体电解液等步骤是对传统铅酸电池相应工序的改进；

图3为碳纤维复合材料汇流排/跨桥外形的示意图；附图3为实例的负汇流排，有4片负汇流排与负极耳连接的汇流片，正极板用汇流排为3片与正极耳连接的汇流片；不同型号蓄电池可根据安装极板数量确定与极耳连接的汇流片数量，图中a、b、c、d、e、f、g、h的尺寸根据各种电池规格而定；图中i的尺寸等于一块负极板和一块AGM隔板的厚度根据各种电池规格而定；

图4为接线柱示意图；

图5为跨桥/汇流排并联焊接示意图；

图6为跨桥/汇流排串联焊接示意图；

图7为跨桥/汇流排焊接俯视图；

图8为终端接线柱焊接示意图。

具体实施方式

本发明实施例一种碳纤维复合材料蓄电池的组装方法，包括连接件的制备和连接件的连接，所述连接件由碳纤维复合材料制备而成；所述连接件的连接采用超声波焊接工艺。

所述碳纤维复合材料由：重量百分比为45-55wt%：15-25wt%：25-35wt%的塑料PP：活性聚合物聚苯胺：碳纤维混合而得。

其中塑料PP购自：北京纳盛通新材料科技有限公司；

活性聚合物聚苯胺购自：北京纳盛通新材料科技有限公司；

碳纤维购自：广州卡本复合材料有限公司。

以下通过采用国标6-FM17的阀控电池盒，装配12V25Ah小型密封蓄电池的具体实施例对本发明做进一步阐述。

本发明实施例所述碳纤维复合材料胶体蓄电池的组装方法，采用碳纤维复合材料制备极耳、接线柱、汇流排/跨桥的连接件制备，取代铅做的接线柱、汇流/跨桥的连接件；连接件的连接用超声波焊接工艺取代用乙炔、氧气的气体烧焊工艺。具体步骤如下：

1.碳纤维复合材料极耳、接线柱、汇流排/跨桥制备（连接件的制备）

（1）接线柱、汇流排/跨桥设计

本案例根据12V25Ah设计容量的碳纤维复合材料板栅，采用国标6-FM17的阀控电池盒可装入3正4负极板。使用国标6-FM17电池盒尺寸，设计接线柱、汇流排/跨桥。碳纤维复合材料汇流排/跨桥的外形示意图请见图3；碳纤维复合材料接线柱的外形示意图请见图4。

各种各样的动力型、起动型、储能型等电池，需根据电池容量另外设计各种各样碳纤维复合材料板栅；同时接线柱、汇流排/跨桥连接件也要同步设计。

（2）开模具

根据碳纤维复合基本材料的物性，根据接线柱、汇流排/跨桥设计图开模具；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

本实施例所述碳纤维复合材料由：重量百分比为45wt%：22wt%：33wt%的塑料PP：活性聚合物聚苯胺：碳纤维混合而得。用碳纤维复合材料生产的极耳、接线柱、汇流排/跨桥的电导率≥10³/Ω·m，与铅的电导率大致相近。

把塑料PP、活性聚合物聚苯胺、碳纤维按照塑料：活性聚合物聚苯胺：碳纤维=45wt%：22wt%：33wt%比例混合，制成条状颗粒，得到碳纤维复合材料；塑料采用PP(俗称晴纶)、活性聚合物聚苯胺及碳纤维在市面很容易大宗购买。

（4）接线柱、汇流排/跨桥注塑

用注塑机把碳纤维复合材料注塑成型得碳纤维复合材料接线柱、汇流排/跨桥。

2.板栅涂膏

碳纤维复合材料极板的铅膏配方、涂膏工艺可使用常规铅酸蓄电池铅膏配方，涂膏工艺。

3.极板固化

碳纤维复合板栅的熔点为260℃,极板固化温度一般为50℃以内；固化过程不会对碳纤维复合板栅产生影响，因此可使用常规铅酸蓄电池铅膏固化工艺。

4.包板

根据极板的尺寸剪裁铅酸电池用的AGM（超细玻璃棉）隔板，其大小保证隔板可以包住极板的两面和底部，两边比极板宽1mm±0.3。把正极板用AGM隔板包住，末片负板与2V电池格壁之间须放一块AGM隔板。

5.组片装盒

碳纤维复合材料胶体蓄电池的组片方法与铅酸蓄电池一样。

一般储能型电池组片，是根据所设计的蓄电池容量，把需要装入蓄电池的正负极板按正、负、正、负……极板的次序进行组片，即每个2V单元电池格内根据设计容量装入2正2负、或3正3负……等的极板组。为了提高第一片正板反应效率，也有在第一片正板前加装一块负板；尤其是起动型、动力性电池，都按N正、N+1负极板的次序进行组片。

本案例利用现成的国标6-FM17的阀控电池盒，装配12V25Ah小型密封蓄电池，该盒可装入3正4负极板。第一格按负、正、负、正、负、正、负顺序组片；第二格也按负、正、负、正、负、正、负顺序组片，余类推。

把组片好的极板组施加一定的压力放入2V电池格内，实现紧装配。这样极板之间保持一定弹力，既不影响极板反应时膨胀收缩，也不会松动。

极板组片插入电池格内，其上部距离电池格上方20mm左右时暂停，以便电极间超声波连接。电池的极板组片装好后，准备焊接。

6.超声波焊接

超声波塑料焊接设备的工作原理是超声波发生器产生15kHz的高压、高频电信号，通过换能器系统，把电信号转换为高频机械振动，加于塑料制品工件上，通过工件表面摩擦而使接口的温度升高，当温度达到工件本身的熔点时，时，使接口迅速熔化，继而填充了接口间的空隙。当振动停止时，工件在一定压力下冷却定形。超声波焊接设备适用于碳纤维复合材料板栅极耳、接线柱、汇流排/跨桥焊接，接点可承受较大拉力。市面上的超声波焊机焊头一般是固定的，不能移动，需把固定的焊头改为可移动式的焊钳，才能在电池的焊接工作面上焊接。

并联超声波焊接，是用汇流排把2V电池格内的正极极耳与负极极耳用可移动式的焊钳分别焊在一起，实现并联，以增加蓄电池容量。电池进行串联焊接时，同样用可移动式的焊钳把相邻电池格的正汇流排和负汇流排通过汇流排上的跨桥靠在一起进行超声波焊接。汇流排和跨桥焊接示意图请见图5-7。

焊接完毕后，把所有极板组片同时压入电池盒底部。把接线柱与引出的跨桥端子进行超声波焊接请见图8。

超声波的焊接方式优点是去除焊接过程对环境污染；降低工人的劳动强度，改善工作环境，保护工人身体健康。

7.短路检测、密封、气密检测工序

把接线柱与引出的跨桥端子进行超声波焊接后，进行短路检测；合格后封上盖，使用铅酸蓄电池常规用密封胶密封，然后进行干燥。再经气密检测、保证下工序顺利进行。把接线柱固定，再使用铅酸蓄电池常规用密封胶密封，然后进行干燥。最后把正、负端子分别涂上红、黑油漆，以便识别。

8.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。

9.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，即得碳纤维复合材料胶体蓄电池。

10.再经铅酸蓄电池常规的清洁、打码、包装、等等工序，最后出厂。

用本实施例碳纤维复合材料8.5Ah正板栅和7Ah负板栅、以及接线柱、汇流排/跨桥组装的小型密封蓄电池，重量为5.04kg。其中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。比最好铅酸蓄电池的比能量40w/kg提升了约50%。

采用本组装方法，连接件的连接用超声波焊工艺取代用乙炔、氧气的气体烧焊工艺，比铅酸蓄电池焊接工艺简单，提高工作效率；传统铅酸蓄电池的接线柱、汇流排/跨桥连接件用铅量占电池总用铅量的5%，用碳纤维复合材料接线柱、汇流排/跨桥的连接件，取代铅制作的接线柱、汇流排/跨桥连接件，减少5%以上的用铅量，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。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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 (6)

1.一种碳纤维复合材料蓄电池的组装方法，其特征在于，包括连接件的制备和连接件的连接，所述连接件由碳纤维复合材料制备而成；所述连接件的连接采用超声波焊接进行连接。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料蓄电池的组装方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料由：重量百分比为45-55wt%：15-25wt%：25-35wt%的塑料PP：活性聚合物：碳纤维混合而得。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料蓄电池的组装方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料由：重量百分比为45wt%：22wt%：33wt%的塑料PP：活性聚合物：碳纤维混合而得。

4.根据权利要求2或3所述的碳纤维复合材料蓄电池的组装方法，其特征在于，所述活性聚合物为聚苯胺。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料蓄电池的组装方法，其特征在于，所述连接件包括极耳、接线柱、汇流排、跨桥。

6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料蓄电池的组装方法，其特征在于，所述连接件的电导率≥10³/Ω·m。

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