CN103700862A - 一种复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺，包括基体、金属溅射层、复合材料双极电池，所述基体包括热固性或热塑性高分子聚合物及一种或多种导电材料组成，所述导电材料均匀分布基体中，所述基体中设有的导电材料至少为一种或多种组合，所述导电材料的粒径范围在纳米级或纳米至微米级，所述金属溅射层采用金属真空磁控溅射技术处理，所述的溅射金属为铅或铅合金的基体经过涂膏、干燥、固化、组装，得到一种复合材料双极电池。本发明所制备的复合材料双极板具有耐腐性能好、极板基体溅射层粘结牢固、接触电阻低、重量轻、成本低廉等优点，并能满足大规模生产的条件。

Description

一种复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种电池，尤其涉及一种复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺。
背景技术
电池分为一次电池和二次电池，其中二次电池指的是可反复充放电的电池。二次电池中应用最早、最广泛的就是铅酸蓄电池，其能使用单极或双极制造，或单双极交互使用的准双极电池。
传统的铅酸蓄电池具有以下缺点：1、传统铅酸蓄电池在使用过程中常有溢酸、渗酸及气体酸雾逸出现象，不仅腐蚀设备，而且污染空气，对城市环境危害极大；2、传统铅酸蓄电池中的液体电解质易腐蚀、冲刷极板，导致极板早期损坏和极板层的活性物质PbO2脱落，造成蓄电池内部短路，大大缩短了铅酸蓄电池的使用寿命；3、传统铅酸蓄电池维护困难，需经常加酸、调比重等，增加使用成本；4、传统铅酸蓄电池上下电位差大，易自放电；5、在恶劣大气环境中(高寒地区与高温地区)适应性能差，低温时起动车辆困难。
在传统的单极电池中，通过集流体收集活性物质所产生的电流并由相互之间连接的极耳传至下一节电池；双极电池由于自身结构优势，双面涂膏，电流传输路径短、内阻小、电池体积小，整个电路中压降较小，较之前的传统铅酸蓄电池优越很多。
在双极电池中，基板的作用至关重要。双极板一方面要与正负极的活性物质紧密粘结，另一方面又要把相邻的两个电池正负极隔开。基板在铅酸腐蚀环境下必须保持其导电性，并阻断相邻电池电解液连通，而不得参与电池反应或为电池自放电提供回路。这些就要求基板必须是有导电性、不溶于硫酸、耐硫酸腐蚀、在电池的电位窗中保持稳定且拥有较高的氢氧过电位能力，不参加电池反应，对电池活性物质有良好的吸附能力，还要易于加工和密封。
目前，对于双极铅酸电池存在以下问题，亟需要解决：1：双极电池基板电导率问题；2：基体上过渡层的耐腐问题；3：双极电池各极板间及整个电池的密封问题；4：在保证双极板电导率的前提下，获得高强度、高韧性的基板；5：整个双极电池的工艺制造流程，是否有利于工业化生产。
针对以上问题，就需要有一种新的双极铅酸电池来克服各种电池制造中的困难及缺陷，从而实现工业化生产需求。
发明内容
本发明为了解决现有技术及生产过程中存在的问题，提供了一种复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺。
为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决现有技术及生产过程中存在的问题所采用的技术方案是：一种复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺，包括基体、金属溅射层、复合材料双极电池，所述基体包括热固性或热塑性高分子聚合物及一种或多种导电材料组成，所述导电材料均匀分布基体中，所述基体中设有的导电材料至少为一种或多种组合，所述导电材料的粒径范围在纳米级或纳米至微米级，所述金属溅射层采用金属真空磁控溅射技术处理，溅射后的基体经过涂膏、干燥、固化、组装，得到一种复合材料双极电池。
进一步的，所述基体采用金属真空磁控溅射技术处理，即金属靶材的中间位置设置有平衡线圈，其与电源连接，线圈产生的磁场与外加磁场共同影响金属的真空磁控溅射系统，完成基体的金属层溅射，得到表面含有符合要求的金属溅射层的极板基体，所述真空磁控溅射中的金属靶材为金属铅靶材或金属铅合金靶材，所述的真空磁控溅射技术包括工作压强10-5～10-7Pa，溅射室温度30～50℃，氩气流量50～100，工作电压100～300V，工作电流1～10A，磁场300～500Gs，工作频率10～80KHz，沉淀速率0.1～1.0um/min，溅射层厚度0.01～1.0mm，循环冷却水温度0～30℃，循环冷却水水压0.1～0.5MPa，工作环境20～40℃，相对湿度10％～90％RH。
进一步的，所述基体经过模压或注塑方法制备，所述基体模压方法经过预热、预压、热压、冷却和脱模得到，所述预热、预压、热压、冷却和脱模均在模具内完成，所述的预热温度为100～180℃，所述预压压力为0.1～10MPa，所述热压温度为100～240℃，所述压力为0.1～20MPa，所述热压时间为10～1200s，所述冷却时间为10～1800s，所述脱模在模具内有脱模剂材料，包括一般的中性、油性、干性脱模剂，或喷涂石蜡、喷涂脱模硅胶、油性材料，或镀特氟龙。所述基体注塑方法包括混料、干燥、加热熔融、注塑成型、脱模，所述混料为热塑性或热固性高分子聚合物、导电材料经过机械搅拌分散或人工搅拌分散或超生分散或球磨分散中的一种或几种混合分散，所述干燥温度为100～200℃，所述加热熔融温度为100～240℃，所述注塑成型，通过将加热后的物料挤压至模具，得到满足要求的极板基体，所述脱模方法如模压成型法中阐述。
进一步的，所述基体中热塑性或热固性高分子聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、ABS粉体及型材中的一种或多种组合，所述基体中导电材料由导电金属、非金属材料中的一种或组合，所述导电金属为金属铅或金属铅合金，所述非金属材料为非金属碳材料或高分子改性导电材料，所述导电材料粒径范围为纳米级或纳米至微米级中的一种或组合。
进一步的，所述导电材料在基体中的占比为0.1％～40％，热固性或热塑性高分子聚合物在基体中的占比为60％～99.9％，所述导电材料在基体中均匀分散。
更进一步的，所述的基体的厚度在0.1～2.0mm。
本发明专利与现有技术相比，所具有的优势如下：
1：本发明采用复合材料混合热塑性或热固性高分子聚合物压制双极板基体，可以得到高电导率的极板基体，有利于降低电池本身的内阻值，减少电池使用过程中功率的额外消耗；
2：本发明的双极板基体采用金属真空磁控溅射技术，较传统的热压铅箔、喷涂铅粉、电镀铅层等工艺有粘结牢固、溅射层致密、防止硫酸腐蚀、界面接触电阻低、减少环境污染等优点；
3：本发明采用的导电材料粒径范围在纳米级或纳米至微米级，较传统电池有导电材料用量少、基体电导率高、韧性强度较高等优势；
4：复合材料双极电池具有电池体积小、内阻低、效率高、使用寿命长、工艺简单、便于操作、环境污染小的优点，适合工业化生产。
附图说明
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的阐述。
图1本发明的复合材料双极电池基体结构示意图；
图2本发明的复合材料双极电池基体金属真空磁控溅射效果示意图；
图3本发明的复合材料双极电池基体金属真空磁控溅射原理示意图；
其中：1、基体，2、金属溅射层，3、金属铅靶材。
具体实施方式
实施例1
如图1所示：复合材料双极电池基体的制备方法，其步骤是：
热塑性或热固性高分子聚合物、导电材料，置于烘箱内，在温度为80或100或110或120或130或140或150℃条件下，烘干0.5或1.0或1.5或2.0或2.5或3.0h，所述的热固性或热塑性高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、ABS粉体及型材中的一种或多种组合，导电材料为金属铅、金属合金、乙炔黑、炭黑、石墨、碳纳米管、聚苯胺、亚氧化钛中的一种或多种组合，导电材料的粒径范围为纳米级或纳米级至微米级。
采用30～100g的以上混合物料，其中热塑性或热固性高分子聚合物占60％～99.9％、导电材料占0.1％～40％，经过100～180℃进行预热，0.1～10.0MPa预压，再经过100～240℃、0.1～20MPa、10～1200s热压，最后经10～1800s的冷却，得到纳米复合材料极板基体。
基体1中的所述的热固性或热塑性高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、ABS粉体及型材中的一种或多种组合。优选聚乙烯、聚丙烯、ABS粉体及型材。
所述热塑性或热固性高分子聚合物占比60～99％、导电材料占比1～40％。最佳条件热塑性或热固性高分子聚合物占比75～90％、导电材料占比10～25％。
所述基体1的成型条件包括经过100～180℃进行预热，0.1～10.0MPa预压，再经过100～240℃、0.1～20MPa、10～1200s热压，最后经10～1800s的冷却，得到纳米复合材料极板基体。最佳条件为110～140℃进行预热，0.5～5.0MPa预压，再经过160～230℃、5.0～20MPa、300～900s热压，最后经300～600s的冷却，得到复合材料双极板基体。
基体1厚度在0.1到2.0mm。优选0.5到1.4mm。
所述的导电材料为金属铅、金属合金、乙炔黑、炭黑、石墨、碳纳米管、聚苯胺、亚氧化钛中的一种或多种组合。优选金属铅、乙炔黑、炭黑、石墨、碳纳米管、亚氧化钛中的一种或多种组合。
所述的导电材料的粒径范围为纳米级或纳米级至微米级。
所述物料的混合方式包括机械搅拌混合、人工搅拌混合、球磨分散混合、超生分散混合。优选球磨分散混合、超生分散混合。
实施例2
如图2、图3所示：复合材料双极电池基体表面溅射金属铅的制备工艺：
热压成型的基体1采用真空磁控溅射技术处理，即金属靶材的中间位置设置有平衡线圈，其与电源连接，线圈产生的磁场与外加磁场共同影响金属的真空磁控溅射系统，完成基体1的金属铅溅射，得到复合要求的极板基体。
所述的基体1如实施例1中阐述，详细情况如上。
真空磁控溅射技术，工作压强10-6Pa，溅射室温度50℃，氩气流量50，工作电压100V，工作电流1.8A，磁场350Gs，工作频率30KHz，沉淀速率0.3um/min，循环冷却水温度20℃，循环冷却水水压0.2MPa，工作环境26℃，相对湿度30％RH。
所述的溅射层厚度0.05mm。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺，包括基体(1)、金属溅射层(2)、复合材料双极电池，其特征在于：所述基体(1)包括热固性或热塑性高分子聚合物及一种或多种导电材料组成，所述导电材料均匀分布基体(1)中，所述基体(1)中设有的导电材料至少为一种或多种组合，所述导电材料的粒径范围在纳米级或纳米至微米级，所述金属溅射层(2)采用金属真空磁控溅射技术处理，溅射后的基体经过涂膏、干燥、固化、组装，得到一种复合材料双极电池。
2.根据权利要求1所述的复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺，其特征在于：所述基体(1)采用金属真空磁控溅射技术处理，即金属靶材的中间位置设置有平衡线圈，其与电源连接，线圈产生的磁场与外加磁场共同影响金属的真空磁控溅射系统，完成基体(1)的金属层溅射，得到表面含有符合要求的金属溅射层(2)的极板基体(1)，所述真空磁控溅射中的金属靶材(3)为金属铅靶材或金属铅合金靶材，所述的真空磁控溅射技术包括工作压强10-5～10-7Pa，溅射室温度30～50℃，氩气流量50～100，工作电压100～300V，工作电流1～10A，磁场300～500Gs，工作频率10～80KHz，沉淀速率0.1～1.0um/min，溅射层厚度0.01～1.0mm，循环冷却水温度0～30℃，循环冷却水水压0.1～0.5MPa，工作环境20～40℃，相对湿度10％～90％RH。
3.根据权利要求1所述的复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺，其特征在于：所述基体(1)经过模压或注塑方法制备，所述基体(1)模压方法经过预热、预压、热压、冷却和脱模得到，所述预热、预压、热压、冷却和脱模均在模具内完成，所述的预热温度为100～180℃，所述预压压力为0.1～10MPa，所述热压温度为100～240℃，所述压力为0.1～20MPa，所述热压时间为10～1200s，所述冷却时间为10～1800s，所述脱模在模具内有脱模剂材料，包括一般的中性、油性、干性脱模剂，或喷涂石蜡、喷涂脱模硅胶、油性材料，或镀特氟龙，所述基体(1)注塑方法包括混料、干燥、加热熔融、注塑成型、脱模，所述混料为热塑性或热固性高分子聚合物、导电材料经过机械搅拌分散或人工搅拌分散或超生分散或球磨分散中的一种或几种混合分散，所述干燥温度为100～200℃，所述加热熔融温度为100～240℃，所述注塑成型，通过将加热后的物料挤压至模具，得到满足要求的极板基体(1)，所述脱模方法如模压成型法中阐述。
4.根据权利要求1所述的复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺，其特征在于：所述基体(1)中热塑性或热固性高分子聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、ABS粉体及型材中的一种或多种组合，所述基体(1)中导电材料由导电金属、非金属材料中的一种或组合，所述导电金属为金属铅或金属铅合金，所述非金属材料为非金属碳材料或高分子改性导电材料，所述导电材料粒径范围为纳米级或纳米至微米级中的一种或组合。
5.根据权利要求1所述的复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺，其特征在于：所述导电材料在基体(1)中的占比为0.1％～40％，热固性或热塑性高分子聚合物在基体(1)中的占比为60％～99.9％；所述导电材料在基体(1)中均匀分散。
6.根据权利要求1所述的复合材料双极性蓄电池及其双极板基体的制备工艺，其特征在于：所述的基体(1)的厚度在0.1～2.0mm。
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Document name: Notification of Passing Examination on Formalities

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Application publication date: 20140402