CN104218245B - 一种钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,该方法是在电镀铅之前在钛板表面先粗化处理,然后烧结一层亚氧化钛,再利用亚氧化钛的导电性在其表面电镀一层金属铅,获得一种用于双极性铅酸电池的钛/亚氧化钛/铅复合基板,钛板表面烧结一层亚氧化钛有利于提高电镀铅层与钛板的结合力,电镀铅层用于提高析氧和析氢过电位,和增加与活性物质的结合强度,极板固化时铅与活性物质会形成结合牢固的界面。本发明的钛/亚氧化钛/铅复合基板具有良好的电子导电性,在铅蓄电池的环境中保持稳定,与活性物质结合牢固,能够形成良好的电子导电界面,并具有高的析氧和析氢过电位和高的机械强度,适合用于双极性铅酸电池的基板。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于双极性铅酸电池钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法。
背景技术
铅酸蓄电池因其生产工艺成熟、价格低、安全性高等的优点,目前其仍占据着二次电池一半以上的份额,但传统铅酸蓄电池存在比能量低的严重缺点。双极性铅酸电池作为先进铅酸电池的一种,用双极性基板替代了板栅和电池内部的连接件,减少了铅用量;而且,在双极性电池中,电流的流动方向与传统电池不同,是垂直于电极表面,因而大大缩短了电子传输路径,从而提高了活性物质的利用率和铅酸电池的比能量及比功率。
双极性铅酸电池中的关键部件为双极性基板。双极性基板需要满足以下要求:(1)良好的电子导电性;(2)在铅蓄电池的环境中保持稳定,防止电解液从一侧向另一侧渗透;(3)与活性物质结合牢固,并形成良好的电子导电界面;(4)高的析氧和析氢过电位;(5)机械强度高。
已报道可使用的双极性铅酸电池基板是用亚氧化钛陶瓷粉末经热压成型制得。亚氧化钛具有很好的电子导电性,并且具有很高的化学稳定性,在强酸、强碱以及强氧化性条件下都可以长时间的稳定的存在,缺点是机械强度低,而且在压制成型时加入的高分子粘结剂影响双基板的导电性。金属钛具有比重小、强度高、耐腐蚀等特点,但金属钛板直接用于铅酸电池的双极性基板存在着自身的缺点,就是其在正极一侧由于PbO2的强氧化性和正极电势的作用下表面生成一层氧化膜,而这层氧化膜基本不具有电子导电的性,而且该氧化膜与活性物质的结合强度差,因此会造成电极极化不断增加和活性物质脱落,最终导致电池无法正常进行充放电循环。因此一种能同时满足双极性基板五项需求的钛/亚氧化钛/铅复合基板的开发很有必要。
发明内容
发明目的:本发明所要解决的技术问题是提供一种用于双极性铅酸电池的钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,采用本发明的方法得到的钛/亚氧化钛/铅复合基板具有良好的电子导电性、稳定性以及高的机械强度。
发明内容:为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案为:
一种钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,对钛板进行预处理,先除去钛板表面的氧化层,再对钛板进行表面粗化处理;
步骤2,将所需体积比的钛酸四丁酯、无水乙醇I以及质量百分比36%的HCl溶液混合,得到第一溶液;同时将一定量的碳源加入无水乙醇II中,得到第二溶液;边搅拌边将第二溶液加入到第一溶液中,得到第三溶液;往第三溶液中加入一定量的聚乙二醇2000,得到溶胶;
步骤3,将步骤1处理过的钛板放入步骤2的溶胶中,浸渍20~30s后进行干燥处理,干燥后再在氩气环境中进行烧结,即可得到的钛/亚氧化钛复合板;
步骤4,将步骤3得到的钛/亚氧化钛复合板置于电镀溶液中,电镀溶液为K4P2O7150~200g/L、Pb(CH3COO)240~80g/L以及添加剂5~20g/L的混合液,电镀以钛/亚氧化钛复合板作为阴极,以纯铅板作为阳极;其中,阴极和阳极的表面积比为1∶2~1∶4,阴极电流密度为1~2A/dm2,电镀0.5-5h即可得到所需的钛/亚氧化钛/铅复合基板。
其中,步骤1中,所述钛板的厚度为0.05-1mm。
其中,步骤2中,所述钛酸四丁酯、无水乙醇以及盐酸的体积比为17∶68∶2~3。
其中,步骤2中,所述碳源为葡萄糖、柠檬酸或蔗糖,所述碳源的加入摩尔量与所述钛酸四丁酯的加入摩尔量相等。
其中,步骤2中,所述聚乙二醇2000的加入摩尔量为所述碳源加入摩尔量的1.5%~2.0%。
其中,步骤3中,所述干燥温度为100~120℃,干燥时间为20~30min;烧结温度为900-950℃,烧结时间为3~4h。
其中,步骤4中,所述添加剂为苯酚、苯三酚、对苯二酚或间苯二酚中的一种或任意几种按任意比例的混合物。
其中,步骤4中,所述电镀温度为15~35℃、电镀溶液的pH值为8~10。
有益效果:相对于现有技术,本发明的钛/亚氧化钛/铅复合基板,解决了钛板在强酸及强氧化性条件下,易在钛板表面产生一层氧化物以及亚氧化钛易钝化从而严重地影响界面导电性的问题;本发明的方法是在电镀铅之前钛板表面先粗化处理,然后烧结一层亚氧化钛,再利用亚氧化钛的导电性在其表面电镀一层金属铅,获得一种用于双极性铅酸电池的钛/亚氧化钛/铅复合基板,钛板表面烧结一层亚氧化钛有利于提高电镀铅层与钛板的结合力,电镀铅层用于提高析氧和析氢过电位,和增加与活性物质的结合强度(极板固化时铅与活性物质会形成结合牢固的界面),因此采用本发明方法得到的钛/亚氧化钛/铅复合基板具有良好的电子导电性,在铅蓄电池的环境中保持稳定,能够防止电解液从一侧向另一侧渗透,并与活性物质结合牢固,能够形成良好的电子导电界面,还具有高的析氧和析氢过电位和高的机械强度,适合用于双极性铅酸电池的基板。本发明方法工艺简单,易于实现,适用于大规模生产。
附图说明
图1是实施例1得到的钛/亚氧化钛/铅复合基板中铅镀层的扫描电镜图片;
图2是实施例1得到的钛/亚氧化钛/铅复合基板中铅镀层百格刀实验后的图片;
图3是实施例1得到的钛/亚氧化钛/铅复合基板经模具压制后得到具有凸凹形状的能用于双极性铅酸电池的钛/亚氧化钛/铅复合基板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,对钛板进行预处理,将钛板在丙酮中超声波震荡1-3min,除去钛板表面油污;将经过丙酮清洗过的钛板,在蒸馏水中清洗干净,将清洗过的钛板浸入氢氟酸、硝酸和双氧水的混合溶液中浸泡1~3分钟,去除钛板表面的氧化层;将除去表面氧化层的钛板用蒸馏水清洗后,再用草酸溶液在85~95℃下刻蚀2~3h,真空干燥,得到表面粗化的钛板,表面粗化的钛板能够增强与烧结亚氧化钛层的结合力;其中,钛板的厚度为0.05-1mm;氢氟酸浓度为42%,氢氟酸的体积为30-60ml/L,硝酸浓度为65%,硝酸体积为40-80mL/L,双氧水浓度为30%,双氧水体积为75-150ml/L;
步骤2,按体积比17∶68∶2量取钛酸四丁酯、无水乙醇I、质量百分比36%的盐酸溶液,并将其充分混合,得到第一溶液;将一定量的碳源加入无水乙醇II中,得到第二溶液,其中,碳源为葡萄糖、柠檬酸或蔗糖,碳源的加入摩尔量与钛酸四丁酯的加入摩尔量相等;边搅拌边将第二溶液加入到第一溶液中,得到第三溶液;往第三溶液中加入一定量的聚乙二醇2000,搅拌2小时后静置24小时,得到溶胶,其中,聚乙二醇2000的加入摩尔量为碳源加入摩尔量的1.5%~2.0%;(本步骤中的无水乙醇I与无水乙醇II为同一种物质);
步骤3,将步骤1处理过的钛板放入步骤2的溶胶中,浸渍20~30s后放入干燥箱中进行干燥处理,干燥温度为100~120℃,干燥时间为20~30min,干燥后再在氩气环境下在高温炉中进行烧结,烧结温度为900-950℃,烧结时间为3~4h,随炉自然冷却,在钛板表面得到亚氧化钛过渡层,亚氧化钛过渡层的厚度为0.01-0.05mm,其中,氩气的体积百分含量≥99.995%;
步骤4,将步骤3得到的钛/亚氧化钛复合板置于电镀溶液中,电镀溶液为K4P2O7150~200g/L、Pb(CH3COO)240~80g/L以及添加剂5~20g/L的混合液,电镀以钛/亚氧化钛复合板作为阴极,以纯铅板作为阳极;其中,电镀温度为15~35℃、电镀溶液的pH值为8~10,电镀时间为0.5-5h,阴极和阳极的表面积比为1∶2~1∶4,阴极电流密度为1~2A/dm2,即可得到所需的钛/亚氧化钛/铅复合基板,其中,添加剂为苯酚、苯三酚、对苯二酚或间苯二酚中的一种或任意几种按任意比例的混合物。
步骤4得到的钛/亚氧化钛/铅复合基板经模具压制后得到具有凸凹形状的能用于双极性铅酸电池的钛/亚氧化钛/铅复合基板。
实施例1
本发明钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将钛板除油、水洗后,浸入质量百分比为42%的HF 40ml/L、质量百分比为65%的HNO350ml/L以及质量百分比为30%的H2O2100ml/L的混合液中浸蚀2min,强力去除钛板表面氧化层;用蒸馏水洗后,再用质量百分比为15%的草酸溶液95℃下刻蚀2h得到均匀麻面。
步骤2,按体积比17∶68∶2量取钛酸四丁酯、无水乙醇I、质量百分比36%的盐酸溶液,并将其充分混合,得到第一溶液;将一定量的葡萄糖加入无水乙醇II中,得到第二溶液,葡萄糖的加入摩尔量与钛酸四丁酯的加入摩尔量相等;边搅拌边将第二溶液加入到第一溶液中,得到第三溶液;往第三溶液中加入一定量的聚乙二醇2000,搅拌2小时后静置24小时,得到溶胶,其中,聚乙二醇2000的加入摩尔量为葡萄糖加入摩尔量的1.5%;
步骤3,将步骤1处理过的钛板放入步骤2的溶胶中,浸渍25s后放入干燥箱中进行干燥处理,干燥温度为110℃,干燥时间为25min,干燥后再在氩气环境下在高温炉中进行烧结,烧结温度为920℃,烧结时间为3.5h,随炉自然冷却,在钛板表面得到亚氧化钛过渡层,亚氧化钛过渡层的厚度为0.01mm,其中,氩气的体积百分含量≥99.995%;
步骤4,将步骤3得到的钛/亚氧化钛复合板置于电镀溶液中,电镀溶液为K4P2O7170g/L、Pb(CH3COO)255g/L以及苯酚10g/L的混合液,电镀溶液的pH值为8,电镀以钛/亚氧化钛复合板作为阴极,以纯铅板作为阳极;阴极和阳极的表面积比为1∶2,电镀温度25℃,阴极电流密度为1A/dm2,电镀2h后,即可得到所需的钛/亚氧化钛/铅复合基板。
实施例2
本发明钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将钛板除油、水洗后,浸入质量百分比为42%的HF 60ml/L、质量百分比为65%的HNO380ml/L以及质量百分比为30%的H2O2150ml/L的混合液浸蚀3min,强力去除钛板表面氧化层;用蒸馏水洗后,再用质量百分比为15%的草酸溶液85℃下刻蚀2h得到均匀麻面。
步骤2,按体积比17∶68∶3量取钛酸四丁酯、无水乙醇I、质量百分比36%的盐酸溶液,并将其充分混合,得到第一溶液;将一定量的柠檬酸加入无水乙醇II中,得到第二溶液,其中,柠檬酸的加入摩尔量与钛酸四丁酯的加入摩尔量相等;边搅拌边将第二溶液加入到第一溶液中,得到第三溶液;往第三溶液中加入一定量的聚乙二醇2000,搅拌2小时后静置24小时,得到溶胶,其中,聚乙二醇2000的加入摩尔量为柠檬酸加入摩尔量的2%;
步骤3,将步骤1处理过的钛板放入步骤2的溶胶中,浸渍30s后放入干燥箱中进行干燥处理,干燥温度为120℃,干燥时间为30min,干燥后再在氩气环境下在高温炉中进行烧结,烧结温度为950℃,烧结时间为4h,随炉自然冷却,在钛板表面得到亚氧化钛过渡层,亚氧化钛过渡层的厚度为0.05mm,其中,氩气的体积百分含量≥99.995%;
步骤4,将步骤3得到的钛/亚氧化钛复合板置于电镀溶液中,电镀溶液为K4P2O7200g/L、Pb(CH3COO)280g/L以及苯三酚20g/L的混合液,电镀溶液的pH值为10,电镀以钛/亚氧化钛复合板作为阴极,以纯铅板作为阳极;阴极和阳极的表面积比为1∶4,电镀温度35℃,阴极电流密度为2A/dm2,电镀5h后,即可得到所需的钛/亚氧化钛/铅复合基板。
实施例3
本发明钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将钛板除油、水洗后,浸入质量百分比为42%的HF 30ml/L、质量百分比为65%的HNO340ml/L以及质量百分比为30%的H2O275ml/L的混合液浸蚀1min,强力去除钛板表面氧化层;用蒸馏水洗后,再用质量百分比为15%的草酸溶液95℃下刻蚀2h得到均匀麻面。
步骤2,按体积比17∶68∶2量取钛酸四丁酯、无水乙醇I、质量百分比36%的盐酸溶液,并将其充分混合,得到第一溶液;将一定量的蔗糖加入无水乙醇II中,得到第二溶液,蔗糖的加入摩尔量与钛酸四丁酯的加入摩尔量相等;边搅拌边将第二溶液加入到第一溶液中,得到第三溶液;往第三溶液中加入一定量的聚乙二醇2000,搅拌2小时后静置24小时,得到溶胶,其中,聚乙二醇2000的加入摩尔量为蔗糖加入摩尔量的1.5%;
步骤3,将步骤1处理过的钛板放入步骤2的溶胶中,浸渍20s后放入干燥箱中进行干燥处理,干燥温度为100℃,干燥时间为20min,干燥后再在氩气环境下在高温炉中进行烧结,烧结温度为900℃,烧结时间为3h,随炉自然冷却,在钛板表面得到亚氧化钛过渡层,亚氧化钛过渡层的厚度为0.03mm,其中,氩气的体积百分含量≥99.995%;
步骤4,将步骤3得到的钛/亚氧化钛复合板置于电镀溶液中,电镀溶液为K4P2O7150g/L、Pb(CH3COO)240g/L以及对苯二酚5g/L的混合液,电镀溶液的pH值为9,电镀以钛/亚氧化钛复合板作为阴极,以纯铅板作为阳极;阴极和阳极的表面积比为1∶3,电镀温度15℃,阴极电流密度为1.5A/dm2,电镀0.5h后,即可得到所需的钛/亚氧化钛/铅复合基板。
Claims (6)
1.一种钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,对钛板进行预处理,先除去钛板表面的氧化层,再对钛板进行表面粗化处理;
步骤2,将所需体积比的钛酸四丁酯、无水乙醇I以及质量百分比36%的HCl溶液混合,得到第一溶液;同时将一定量的碳源加入无水乙醇II中,得到第二溶液;边搅拌边将第二溶液加入到第一溶液中,得到第三溶液;往第三溶液中加入一定量的聚乙二醇2000,得到溶胶;其中,所述钛酸四丁酯、无水乙醇以及盐酸的体积比为17∶68∶2~3;所述聚乙二醇2000的加入摩尔量为所述碳源加入摩尔量的1.5%~2.0%;
步骤3,将步骤1处理过的钛板放入步骤2的溶胶中,浸渍20~30s后进行干燥处理,干燥后再在氩气环境中进行烧结,即可得到的钛/亚氧化钛复合板;
步骤4,将步骤3得到的钛/亚氧化钛复合板置于电镀溶液中,电镀溶液为K4P2O7150~200g/L、Pb(CH3COO)240~80g/L以及添加剂5~20g/L的混合液,电镀以钛/亚氧化钛复合板作为阴极,以纯铅板作为阳极;其中,阴极和阳极的表面积比为1∶2~1∶4,阴极电流密度为1~2A/dm2,,电镀0.5-5h后即可得到所需的钛/亚氧化钛/铅复合基板。
2.根据权利要求1所述钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,其特征在于:步骤1中,所述钛板的厚度为0.05-1mm。
3.根据权利要求1所述钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,其特征在于:步骤2中,所述碳源为葡萄糖、柠檬酸或蔗糖,所述碳源的加入摩尔量与所述钛酸四丁酯的加入摩尔量相等。
4.根据权利要求1所述钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,其特征在于:步骤3中,所述干燥温度为100~120℃,干燥时间为20~30min;烧结温度为900-950℃,烧结时间为3~4h。
5.根据权利要求1所述钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,其特征在于:步骤4中,所述添加剂为苯酚、苯三酚、对苯二酚或间苯二酚中的一种或任意几种按任意比例的混合物。
6.根据权利要求1所述钛/亚氧化钛/铅复合基板的制备方法,其特征在于:步骤4中,所述电镀温度为15~35℃、电镀溶液的pH值为8~10。
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