CN104466266B - 铅酸蓄电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铅酸蓄电池，它包括外壳，设置于外壳内部的正极板、负极板、隔板，以及注入于外壳内部的电解液，所述正极板包括正极板栅和覆于正极板栅两面的正极铅酸层，所述正极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.05‑0.2％、锡0.6‑1.0％、铝0.01‑0.05％、剩余为铅；所述负极板包括负极板栅和覆于负极板栅两面的负极铅酸层，所述负极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.05‑0.2％、锡0.1‑0.5％、铝0.01‑0.05％、剩余为铅。该铅酸蓄电池大电流放电的稳定性好，低温启动能力强，耐腐蚀性能优异，循环充放电寿命长，综合性能优良。

Description

铅酸蓄电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及蓄电池技术领域，具体涉及一种铅酸蓄电池，以及该铅酸蓄电池的制备方法。
背景技术
铅酸蓄电池(VRLA)，是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。
对于铅酸蓄电池而言，电极板是至关重要的部件之一，其质量的好坏直接关系到整个铅酸蓄电池的质量和使用寿命。电极板主要有合金板栅和涂覆在合金板栅的活性涂层构成，其中合金板栅主要为Pb-Ca-Sn合金，而活性涂层主要为含有Sn和Pb的涂层。该电极板虽然具备较好的充放电稳定性，但总体综合性能不佳，比如比能低、使用寿命短和日常维护频繁。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对以上现有技术问题的不足，提供一种铅酸蓄电池，该铅酸蓄电池大电流放电的稳定性好，低温启动能力强，耐腐蚀性能优异，循环充放电寿命长，综合性能优良。
本发明所采用的技术方案为：
一种铅酸蓄电池，包括外壳，设置于外壳内部的正极板、负极板、隔板，以及注入于外壳内部的电解液，所述正极板包括正极板栅和覆于正极板栅两面的正极铅酸层，所述正极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.05-0.2％、锡0.6-1.0％、铝0.01-0.05％、剩余为铅，所述正极铅酸层主要由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉950-1050份、水100-110份、1.4g/cm3的硫酸90-100份；所述负极板包括负极板栅和覆于负极板栅两面的负极铅酸层，所述负极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.05-0.2％、锡0.1-0.5％、铝0.01-0.05％、剩余为铅，所述负极铅酸层主要由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉950-1050份、水80-100份、1.4g/cm3的硫酸80-90份。
作为优选，所述正极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.1％、锡0.8％、铝0.03％、剩余为铅；所述正极铅酸层主要由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉1000±1.0份、水105±0.5份、1.4g/cm3的硫酸96.00±0.2份。
作为优选，所述负极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.11％、锡0.15％、铝0.03％、剩余为铅；所述负极铅酸层主要由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉1000±1.0份、水90±0.2份、1.4g/cm3的硫酸84.00±0.2份。
作为优选，所述正极板栅、负极板栅的厚度为1.0-4.4mm，所述正极铅酸层、负极铅酸层的厚度为0.15mm。
本发明进一步提供上述铅酸蓄电池的制备方法，包括极板(包括正极板、负极板)的制备、蓄电池结构的组装、电解液的注入，所述极板的制备包括以下步骤：
(1)板栅浇铸：将配方含量铅锭投入板栅铸片机的熔铅锅，升温至430-470℃(优选为450℃)使铅锭熔化，保持铅液液色为银白色；熔化后形成的铅液经环形槽、铅管进入成型模具浇铸成型，所述成型模具的温度为170-190℃(优选为180℃)，浇注速度为12-17片/分钟，得到板栅，备用。
所述成型模具内喷有喷模剂，所述喷模剂的制备方法如下：每1000g水中加入4g骨胶、1g聚乙烯纤维，煮沸后再加入150g木粉充分搅拌均匀，待冷却后即为喷模剂。
该步中铅锭熔化温度非常重要，不得过高或过低，过低时，铅液阀门及放铅嘴易堵，铅液不易流入环形槽，造成充型不满；过高时，铅液的烧损严重，易造成污染和浪费，还会因铅条冷却过慢造成断条。
浇注环节喷模剂、浇注速度、模具温度对板栅的质量也至关重要，喷模剂中木粉太多，浇铸速度太快，浇铸的板栅易开裂，喷模剂中木粉太少，模温太低，板栅成形质量差。
(2)铅粉制备：将铅块投入铅粉机的滚筒进行磨粉，设置铅粉机滚筒内温度为130-140℃，负荷功率为90kW，风门正风压为2000±150pa，风门负风压为3600±150pa，出粉速度为0.8吨/小时，得到铅粉。
铅粉制造的工艺参数控制非常重要，铅粉机负载量(由负荷功率来反映)、风量、温度等都会影响铅粉质量和产量。
滚筒内应避免产生高温，风量过小，滚筒内温度过高，物料因堆集一起继续氧化升温，会使铅粉氧化度高，粘性增大，形成十分危险的过烧现象，且轴瓦及托辊性能变坏，导致磨损；调整负压风机是决定铅粉产量的重要环节，在负荷一定的情况下，适当提高负压风是可使产量增加，但铅粉粒度也随之有所加大，氧化度降低，所以负压风机的调整应以铅粉品质为依据。
视密度和氧化度是检测铅粉质量的两大重要指标，负荷量过大、铅粒过多，筒体温度低，正负风压过大、风量太大都会使铅粉视密度偏高，氧化度偏低，反之亦然。提高铅粉视密度的时候，氧化度会下降，刷余物、铅皮比例会增加，所以应该适当调整温度；铅粉的氧化度受温度影响较大，同时也受风压、环境温度和湿度的影响。
经过本发明以上参数控制后，得到的铅粉视密度达1.25-1.35g/cm3，氧化度为72-78％。
视密度的测定方法：让铅粉通过80目分样筛，自由落体在100ml的钢杯中，落满后轻轻刮平，称量为G克，钢杯重为G0克，则视密度d＝(G－G0)/100(g/cm3)。
(3)铅膏制备：称取配方重量的铅粉、水及硫酸后，依次投入合膏机，设置合膏温度为38-46℃，干合时间(给铅粉至给水前的搅拌时间)为3-5min、湿合时间(给水至给硫酸前的搅拌时间)为6-10min、混合时间(给硫酸后的搅拌时间)为20-30min，形成铅膏。
该步中混合时(即硫酸加入时)控制温度在55-65℃。
(4)涂板：使用涂板机将铅膏辊压涂覆于板栅的两面，然后经淋纯水、淋酸、表面干燥、清理余膏，得到生极板。
该步中淋酸使用的淋酸液为硫酸溶液。
(5)生极板固化、干燥：生极板在温度40-50℃、相对湿度≥97％的环境条件下进行固化干燥，设置固化流程为：50℃24h、52℃4h、50℃8h、50℃8h、52℃6h、55℃6h、60℃2h、65℃2h、70℃2h、80℃8h。
该步固化的环境条件以及固化流程的设计非常重要，固化干燥采用特殊的蒸汽加热法，使生极板在固化的过程中不易开裂，使用以上固化干燥后得到的极板经过测试，正极板游离铅含量≤3％、水含量≤0.5％，负极板游离铅含量≤5％、水含量≤0.5％，这有效避免了活性物质层反应不良、涂层松懈、性能差等情况的发生，非常有利于成品电极板在使用中的深充放循环性能和整体稳定性。
(6)无焊接化成：将固化干燥后的极板置于化成槽内进行化成处理，化成槽内硫酸溶液密度为1.04-1.06g/cm3(25℃)，槽内电流为100-130A，化成时间为18-19h，使极板荷电。
(7)干燥：最后在无氧干燥机内进行干燥，第一阶段45-50℃温度下10h，第二阶段73-83℃温度下26-38h，得到极板。
与现有技术相比，本发明具备以下优点和显著效果：本发明制备的正极板、负极板用于铅酸蓄电池后大电流放电的稳定性好，低温启动能力强，耐腐蚀性能优异，循环充放电寿命长，综合性能优良，这主要依赖于本发明对配方的优化和对制作工艺各个环节的精确控制，以及配方与工艺、各工艺环节之间良好的协同作用，具体体现在：
(1)在板栅的配方上，通过特殊组分的选取，特别是铝组分的选用有效避免钙组分在烧制过程中烧损，以及优化各组分的配比，使得到的板栅尺寸规范，不易开裂，机械强度高，耐腐蚀性能好，导电性能好，比能高，电容值稳定；
(2)在活性物质层的配方选择上，选取视密度和氧化度优异的铅粉，再通过优化铅膏的配方，优化板栅和活性物质的设计比例，使板栅和活性物质有较好的结合力，得到的电极板游离铅含量少，有利于蓄电池的深充放循环和放电稳定性，储电能力强，使用寿命长，低温启动能力强；
(3)在制备方法上，通过严格控制和优化板栅浇铸、铅粉制备、铅膏制备、涂板、生极板固化、无焊接化成、干燥等各个环节的工艺参数，从而严格控制各个中间产物的质量，以及使各个环节之间协调良好，从而使得到的电极板蓄电能力强，自放电小，大电流放电稳定性好，低温启动能力强，耐腐蚀性能优异，循环充放电寿命长，综合性能优良，总体制备成本低，适用推广。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步具体描述。应该指出，以下具体说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有说明，本发明使用的所有科学和技术术语具有与本发明所属技术领域人员通常理解的相同含义。
1、材料
(合金)铅锭购自株洲冶炼集团股份有限公司；铅块纯度99.994％。
2、工艺设备：
自动板栅铸片机购自泉州市丰泽创新机械有限公司；SF-2OLS型风选式铅粉机购自中南实业有限公司；MAM-680螺杆式空气压缩机购自深圳市山海屿能有限公司；全自动合膏机(规格1000kg)购自中南实业有限公司；YG-STB400双面涂板机购自保定金阳光能源装备科技有限公司；全自动固化干燥系统购自中南实业有限公司。
实施例1：正极板的制备
本实施例用于铅酸蓄电池的正极板包括正极板栅和覆于正极板栅两面的正极铅酸层，所述正极板栅的厚度为2.4mm，所述正极铅酸层的厚度为0.15mm。所述正极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.1％、锡0.8％、铝0.03％、剩余为铅。所述正极铅酸层主要由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉1000±1.0份、水105±0.5份、1.4g/cm3的硫酸96.00±0.2份。
上述正极板的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)正极板栅浇铸：在自动板栅铸片机进行，将铅锭投入自动板栅铸片机的熔铅锅，升温至450℃使铅锭熔化，保持铅液液色为银白色，所述铅锭包括以下重量百分比的各组分：钙0.1％、锡0.8％、铝0.03％、剩余为铅；熔化后形成的铅液经环形槽(环形槽温度由冷却水来控制，通过调节冷却水流量，使铅在环形槽内保持250-300mm长的液态区)、铅管进入成型模具浇铸成型，成型模具内喷有喷模剂(喷模剂制备方法：每1000g水中加入4g骨胶、1g聚乙烯纤维，煮沸后再加入150g木粉充分搅拌均匀，待冷却后即为喷模剂)，所述成型模具的温度为180℃，浇注速度为15片/分钟，得到正极板栅，备用；
(2)铅粉制备：将铅块投入铅粉机的滚筒进行磨粉，设置铅粉机滚筒内温度为135℃，滚筒内铅块的重量不超过2000kg(一般为1.8吨左右)，负荷功率为90kW，风门正风压为2000pa，风门负风压为3600pa，出粉速度为0.8吨/小时，得到铅粉；
(3)铅膏制备：称取配方重量的铅粉、水及硫酸，待合膏机启动正常运行后，设置合膏温度为45℃，依次加铅粉，干搅拌3min，加纯水，湿搅拌8min，加酸(控制温度在55-65℃)，最后搅拌23min，形成铅膏；
(4)涂板：使用涂板机将铅膏辊压涂覆于正极板栅的两面，然后经淋纯水、淋酸(淋酸液为硫酸溶液，密度1.08～1.09g/cm3、25℃)、表面干燥(该步脱水约9-10％)、清理余膏，得到生极板；
(5)生极板固化、干燥：生极板在温度40-50℃、相对湿度≥97％的环境条件下进行固化干燥，设置固化流程为：50℃24小时、52℃4小时、50℃8小时、50℃8小时、52℃6小时、55℃6小时、60℃2小时、65℃2小时、70℃2小时、80℃8小时；
(6)无焊接化成：将固化干燥后的极板置于化成槽内进行化成处理，化成槽内硫酸溶液密度为1.05g/cm3(25℃)，槽内电流为115A，化成时间为18.5小时；
(7)干燥：最后在无氧干燥机内进行干燥，第一阶段48℃温度下10h，第二阶段78℃温度下32h，得到正极板。
对以上得到的正极板进行性能参数测试，结果如下表1所示。
表1
理化指标 检测数据
PbO2 75-85％
水分含量 0.1-0.5％
铁(Fe)含量 0.006％
氯(Cl)含量 0.0001％
实施例2：负极板的制备
本实施例用于铅酸蓄电池的负极板包括负极板栅和覆于负极板栅两面的负极铅酸层，所述负极板栅的厚度为2.4mm，所述负极铅酸层的厚度为0.15mm。所述负极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.11％、锡0.15％、铝0.03％、剩余为铅。所述负极铅酸层由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉1000±1.0份、水90±0.2份、1.4g/cm3的硫酸84.00±0.2份。
上述负极板的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)负极板栅浇铸：在自动板栅铸片机进行，将铅锭投入自动板栅铸片机的熔铅锅，升温至450℃使铅锭熔化，保持铅液液色为银白色，所述铅锭包括以下重量百分比的各组分：钙0.11％、锡0.15％、铝0.03％、剩余为铅；熔化后形成的铅液经环形槽(环形槽温度由冷却水来控制，通过调节冷却水流量，使铅在环形槽内保持250-300mm长的液态区)、铅管进入成型模具浇铸成型，成型模具内喷有喷模剂(喷模剂制备方法：每1000g水中加入4g骨胶、1g聚乙烯纤维，煮沸后再加入150g木粉充分搅拌均匀，待冷却后即为喷模剂)，所述成型模具的温度为180℃，浇注速度为15片/分钟，得到负极板栅，备用；
(2)铅粉制备：将铅块投入铅粉机的滚筒进行磨粉，设置铅粉机滚筒内温度为135℃，滚筒内铅块的重量不超过2000kg(一般为1.8吨左右)，负荷功率为90kW，风门正风压为2000pa，风门负风压为3600pa，出粉速度为0.8吨/小时，得到铅粉；
(3)铅膏制备：称取配方重量的铅粉、水及硫酸，待合膏机启动正常运行后，设置合膏温度为40℃，依次加铅粉，干搅拌3min，加纯水，湿搅拌8min，加酸(控制温度在55-65℃)，最后搅拌25min，形成铅膏；
(4)涂板：使用涂板机将铅膏辊压涂覆于负极板栅的两面，然后经淋纯水、淋酸(淋酸液为硫酸溶液，密度1.17-1.18g/cm3、25℃)、表面干燥(该步脱水约9-10％)、清理余膏，得到生极板；
(5)生极板固化、干燥：生极板在温度40-50℃、相对湿度≥97％的环境条件下进行固化干燥，设置固化流程为：50℃24小时、52℃4小时、50℃8小时、50℃8小时、52℃6小时、55℃6小时、60℃2小时、65℃2小时、70℃2小时、80℃8小时；
(6)无焊接化成：将固化干燥后的极板置于化成槽内进行化成处理，化成槽内硫酸溶液密度为1.05g/cm3(25℃)，槽内电流为115A，化成时间为18.5小时；
(7)防氧化处理：化成完成的极板沥干表面液体后，放入浓度30％的硼酸溶液中浸泡20min，硼酸溶液的温度预热至40℃；
(8)干燥：最后在无氧干燥机内进行干燥，第一阶段48℃温度下10h，第二阶段78℃温度下32h，得到负极板。
对以上得到的负极板进行性能参数测试，结果如下表2所示。
表2
理化指标 检测数据
氧化铅 7.2％
水分含量 0.1-0.5％
铁(Fe)含量 0.006％
氯(Cl)含量 0.0001％
实施例3：铅酸蓄电池的制备
本实施例铅酸蓄电池包括外壳，设置于外壳内部的正极板、负极板、隔板，以及注入于外壳内部的电解液，部件组成与现有技术中同，这里便不再详述，只是使用的正极板为本发明实施例1制备的正极板，使用的负极板为本发明实施例2制备的负极板。
铅酸蓄电池结构的组装、电解液的注入等铅酸蓄电池制备的其他步骤采用现有技术的常规步骤，这里也不再详述。
对使用了本发明实施例1、2制备的正极板和负极板组装的铅酸蓄电池进行检测，其荷电量可达12.8V。
本发明实施例涉及到的材料、试剂和实验设备，如无特别说明，均为符合铅酸蓄电池领域的市售产品。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的核心技术的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也应属于本发明的专利保护范围。与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种铅酸蓄电池，包括外壳，设置于外壳内部的正极板、负极板、隔板，以及注入于外壳内部的电解液，其特征在于：所述正极板包括正极板栅和覆于正极板栅两面的正极铅膏层，所述正极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.05-0.2％、锡0.6-1.0％、铝0.01-0.05％、剩余为铅，所述正极铅膏层主要由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉950-1050份、水100-110份、1.4g/cm3的硫酸90-100份；所述负极板包括负极板栅和覆于负极板栅两面的负极铅膏层，所述负极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.05-0.2％、锡0.1-0.5％、铝0.01-0.05％、剩余为铅，所述负极铅膏层主要由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉950-1050份、水80-100份、1.4g/cm3的硫酸80-90份，所述铅酸蓄电池的极板的制备包括以下步骤：
(1)板栅浇铸：将配方含量的铅锭投入板栅铸片机的熔铅锅，升温至430-470℃使铅锭熔化；熔化后形成的铅液经环形槽、铅管进入成型模具浇铸成型，所述成型模具的温度为170-190℃，得到板栅，备用；
(2)铅粉制备：将铅块投入铅粉机的滚筒进行磨粉，设置铅粉机滚筒内温度为130-140℃，负荷功率为90kW，风门正风压为2000±150pa，风门负风压为3600±150pa，出粉速度为0.8吨/小时，得到铅粉；
(3)铅膏制备：称取配方重量的铅粉、水及硫酸后，依次投入合膏机，给铅粉至给水前的搅拌时间为3-5min，温度控制在38-46℃；给水至给硫酸前的搅拌时间为6-10min，温度控制在38-46℃；给硫酸后的搅拌时间为20-30min，温度降至38-46℃，形成铅膏；
(4)涂板：使用涂板机将铅膏辊压涂覆于板栅的两面，然后经淋纯水、淋酸、表面干燥、清理余膏，得到生极板；
(5)生极板固化、干燥：生极板在相对湿度≥97％的环境条件下进行固化干燥，设置固化流程为：50℃24h、52℃4h、50℃16h、52℃6h、55℃6h、60℃2h、65℃2h、70℃2h、80℃8h；
(6)无焊接化成：将固化干燥后的极板置于化成槽内进行化成处理，化成槽内硫酸溶液密度为1.04-1.06g/cm3，槽内电流为100-130A，化成时间为18-19h；
(7)干燥：最后在无氧干燥机内进行干燥，第一阶段45-50℃温度下10h，第二阶段73-83℃温度下26-38h，得到极板。
2.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池，其特征在于：所述正极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.1％、锡0.8％、铝0.03％、剩余为铅；所述正极铅膏层主要由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉1000±1.0份、水105±0.5份、1.4g/cm3的硫酸96.00±0.2份。
3.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池，其特征在于：所述负极板栅由以下重量百分比的各组分制备而成：钙0.11％、锡0.15％、铝0.03％、剩余为铅；所述负极铅膏层主要由以下重量份数的各组分制备而成：铅粉1000±1.0份、水90±0.2份、1.4g/cm3的硫酸84.00±0.2份。
4.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池，其特征在于：所述正极板栅、负极板栅的厚度为1.0-4.4mm，所述正极铅膏层、负极铅膏层的厚度为0.15mm。
5.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池，其特征在于：所述步骤(1)中铅锭熔化的温度为450℃，成型模具的温度为180℃。
6.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池，其特征在于：所述步骤(1)中成型模具内喷有喷模剂，所述喷模剂的制备方法如下：每1000g水中加入4g骨胶、1g聚乙烯纤维，煮沸后再加入150g木粉充分搅拌均匀，待冷却后即为喷模剂。
7.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池，其特征在于：所述步骤(3)中给硫酸时控制温度在55-65℃。
8.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池，其特征在于：所述步骤(4)中淋酸使用的淋酸液为硫酸溶液。
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