CN104882614A - 一种高能量密度铅酸电池极板 - Google Patents

一种高能量密度铅酸电池极板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高能量密度铅酸电池极板，极板包括复合集流体及涂覆于复合集流体表面的铅膏，复合集流体包括基材、涂覆于基材其中一面或两面的导电粘结性过渡层以及涂覆于导电粘结性过渡层表面的导电防腐层，导电防腐层表面设有若干半球形的凹坑，基材由金属材料制成，导电粘结性过渡层由导电剂A及粘结剂组成，导电剂A与粘结剂的质量比为3～5：1，导电防腐层由共混导电聚合物通过热压或者热辊压贴合于导电粘结性过渡层上而成，共混导电聚合物由导电剂B及防腐剂组成，导电剂B与防腐剂的配比为2:1～17:3。本发明采用复合集流体替代传统的铅板栅，实现了铅酸电池极板的轻量化，大幅提升铅酸电池的能量密度，复合集流体原料成本低廉，降低了铅酸电池的成本，减少铅污染。

Description

一种高能量密度铅酸电池极板
技术领域
本发明涉及铅酸电池极板，尤其是涉及一种高能量密度铅酸电池极板。
背景技术
铅酸电池具有广泛的用途，目前铅酸电池无论是在产量上还是在应用领域上都占据着主导地位。铅酸电池中，铅板栅作为集流体，对电极起支撑作用和电流分布作用，是电极的重要组成部分。铅酸电池用板栅一般采用铅合金，笨重的铅板栅的使用限制了铅酸电池能量密度的提高。目前，铅酸电池板栅都不能摒除铅合金的使用。另外，采用铅合金极板的蓄电池常会因为电解液浸渍腐蚀造成电池内阻升高、容量降低、寿命终止。因此开发出轻量化的、耐腐蚀、高导电率的集流体对研制高能量密度的铅酸电池至关重要。
公开号CN101192669A，公开日2008年6月4日的中国专利公开了一种耐腐蚀复合集流体及其制作方法，其采用导电胶粘接、热压复合或真空覆膜的方法在金属集流体表面包覆一层耐腐蚀导电薄膜材料，该复合集流体在制备时，需先将金属集流体剪成方形，再将耐腐蚀薄膜材料剪成长方形，然后将耐腐蚀导电薄膜折成“V”型，采用刮涂的方式预先在耐腐蚀导电薄膜两面均匀涂敷一层导电胶石墨乳，并将金属集流体一边靠在“V”形耐腐蚀导电薄膜的折叠处，在金属集流体上下端均保留约2mm的空位，然后将耐腐蚀导电薄膜压到涂覆有导电胶石墨乳的金属集流体上，由折叠处向开口处均匀施力挤压，使空气被挤出，最后进行抽真空、加热。该方法的不足之处在于，制作过程为间歇式，生产效率低，不能进行大批量生产该复合集流体，不适合工业化生产，而且通过施力挤压容易使耐腐蚀导电薄膜与金属集流体之间存在大量间隙，这影响极板的导电性能和耐腐蚀性。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的铅酸蓄电池极板生产效率低，不能进行大批量生产，导电性能和耐腐蚀性差的问题，提供了一种结构简单、耐腐蚀、高导电率、可实现大批量工业化生产的高能量密度铅酸电池极板。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高能量密度铅酸电池极板，所述极板包括复合集流体及涂覆于复合集流体表面的铅膏，所述复合集流体包括基材、涂覆于基材其中一面或两面的导电粘结性过渡层以及涂覆于导电粘结性过渡层表面的导电防腐层，所述导电防腐层表面设有若干半球形的凹坑。本发明采用复合集流体替代传统铅酸电池笨重的铅板栅，实现了铅酸电池极板的轻量化，大幅提升铅酸电池的能量密度，复合集流体原料成本低廉，降低了铅酸电池的成本，减少铅污染，其中导电防腐层表面设有若干半球形的凹坑有利于提高复合集流体与铅膏之间的结合强度。
作为优选，所述基材厚度为0.01mm～2mm；所述导电粘结性过渡层的厚度为5～20μm；所述导电防腐层的厚度为50～500μm。
作为优选，所述基材由金属材料制成，所述导电粘结性过渡层由导电剂A及粘结剂组成，所述导电防腐层由共混导电聚合物通过热压或者热辊压贴合于导电粘结性过渡层上而成。
作为优选，所述基材为金属箔、金属网、金属板栅、冲孔网、编织网中的一种。
作为优选，所述导电粘结性过渡层中导电剂A与粘结剂的质量比为3～5：1；所述共混导电聚合物由导电剂B及防腐剂组成，导电剂B与防腐剂的质量比为2：1～17：3。
作为优选，所述导电剂A、导电剂B均为活性炭、活性炭纤维、碳短切纤维、碳纤维粉、碳纳米管、石墨、乙炔黑、石墨烯、富勒烯C60、炭黑、聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)中的一种或几种；所述粘结剂为环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、乙酸-醋酸乙烯树脂、聚氨酯中的一种或几种；所述防腐剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种或多种。
作为优选，所述复合集流体通过以下方法制得：
(1)将导电剂A、粘结剂分散于有机溶剂中制成粘度为2000～8000mPa·S的浆料后，通过转移涂布、刮涂、挤压涂布或者丝网印刷的方式将浆料涂覆到基材的其中一面或两面，干燥后形成厚度为5～20μm的导电粘结性过渡层。
(2)将导电剂B和防腐剂混合后通过热辊压或者吹塑的方法制成50～500μm的导电薄膜，之后将导电薄膜通过热压或者热辊压贴合的方法粘贴在导电粘结性过渡层之上形成导电防腐层得复合集流体带，再将复合集流体带通过轧花辊，在导电防腐层表面轧出若干半球形的凹坑，最后用刀模将复合集流体带冲成所需的大小和形状即得复合集流体；或者将防腐剂用乙酸戊酯在80～130℃下溶解，再加入导电剂B，搅拌均匀后得粘度为5000～15000mPa·S导电胶料，将导电胶料涂布至导电粘结性过渡层的表面，在130～150℃下使乙酸戊酯挥发后经热辊压形成导电防腐层得复合集流体带，再将复合集流体带通过轧花辊，在导电防腐层表面轧出若干半球形的凹坑，最后用刀模将复合集流体带冲成所需的大小和形状即得复合集流体。控制导电胶料粘度的目的是为了便于涂布过程中胶料成膜，黏度太低则不能成膜，黏度太高则易堵塞涂布模口，不能涂布。
作为优选，导电胶料涂布温度控制在80～120℃，涂布速度1～2m/s。涂布温度低则导电胶料很快凝固、涂布温度高则导电胶料里的溶剂迅速挥发，黏度增大，进而易堵塞涂布模口，涂布不能顺利进行；涂布速度太低则易造成胶料在基材上堆积，涂布速度太高则胶料来不及从模口流出成膜，易造成漏涂。
作为优选，步骤(1)中所述有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、氮-甲基吡咯烷酮NMP或聚苯乙烯磺酸。
一种使用高能量密度铅酸电池极板的铅酸电池。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)采用复合集流体替代传统铅酸电池笨重的铅板栅，实现了铅酸电池极板的轻量化，大幅提升铅酸电池的能量密度，复合集流体原料成本低廉，降低了铅酸电池的成本，减少铅污染；
(2)复合集流体的制作过程为连续式，生产效率大大提高，适合进行大批量的工业化生产，通过涂布在集流体表面形成导电粘结性过渡层，再通过热压或者热辊压贴合的方法将导电薄膜粘贴在导电粘结性过渡层，各层之间紧密贴合，极板的导电性能和耐腐蚀性得到大大提高。
附图说明
图1是本发明实施例1中的高能量密度铅酸电池极板的结构示意图。
图2是本发明实施例2中的高能量密度铅酸电池极板的结构示意图。
图中：基材1，导电粘结性过渡层2，导电防腐层3，铅膏4，凹坑5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1所示的一种高能量密度铅酸电池极板，包括复合集流体及涂覆于复合集流体表面的铅膏4，复合集流体包括基材1、涂覆于基材两面、厚度为5μm的导电粘结性过渡层2以及涂覆于导电粘结性过渡层表面、厚度为50μm的导电防腐层3，导电防腐层表面设有若干半球形的凹坑5，基材为厚度0.01mm的金属箔，导电粘结性过渡层由导电剂A及粘结剂组成，导电剂A为活性炭和活性炭纤维(质量比1：1)；粘结剂为环氧树脂、酚醛树脂和丙烯酸树脂(质量比1:1:2)，导电剂A与粘结剂的质量比为3：1；导电防腐层由共混导电聚合物通过热压贴合于导电粘结性过渡层上而成，共混导电聚合物由导电剂B及防腐剂组成，导电剂B为活性炭纤维、碳短切纤维和炭黑(质量比2:1:1)，防腐剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚乙烯(质量比2:3)，导电剂B与防腐剂的质量比为2：1，其中的复合集流体通过以下方法制得：
(1)将导电剂A、粘结剂、助剂分散于有机溶剂中制成粘度为2000mPa·S的浆料后，通过转移涂布的方式将浆料涂覆到基材的两面，干燥后形成导电粘结性过渡层，有机溶剂为苯；
(2)将导电剂B和防腐剂混合后通过热辊压的方法制成导电薄膜，之后将导电薄膜通过热压的方法粘贴在导电粘结性过渡层之上形成导电防腐层得复合集流体带，再将复合集流体带通过轧花辊，在导电防腐层表面轧出若干半球形的凹坑，最后用刀模将集流体带冲成所需的大小和形状即得复合集流体。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，导电粘结性过渡层2涂覆于基材的其中一面(见图2)，其余完全相同，故不在此赘述。
实施例3
本实施例中的高能量密度铅酸电池极板结构与实施例1相同，不同之处在于：导电粘结性过渡层2的厚度为10μm，导电防腐层3的厚度为100μm，基材为厚度1mm的冲孔网，导电剂A为碳短切纤维；粘结剂为乙酸-醋酸乙烯树脂和聚氨酯(质量比1:1)，导电剂A与粘结剂的质量比为4：1；导电剂B为碳纳米管和乙炔黑(质量比3:2)，防腐剂为聚丙烯，导电剂B与防腐剂的质量比为5：1。
复合集流体通过以下方法制得：
(1)将导电剂A、粘结剂、助剂分散于有机溶剂中制成粘度为4000mPa·S的浆料后，通过刮涂的方式将浆料涂覆到基材的两面，干燥后形成导电粘结性过渡层，有机溶剂为氮-甲基吡咯烷酮NMP；
(2)将防腐剂用乙酸戊酯在80℃下溶解，再加入导电剂B，搅拌均匀后得粘度为5000mPa·S导电胶料，将导电胶料涂布至导电粘结性过渡层的表面，涂布温度控制在80℃，涂布速度1m/s，在130℃下使乙酸戊酯挥发后经热辊压形成导电防腐层得复合集流体带，再将复合集流体带通过轧花辊，在导电防腐层表面轧出若干半球形的凹坑，最后用刀模将集流体带冲成所需的大小和形状即得复合集流体。
实施例4
本实施例中的高能量密度铅酸电池极板结构与实施例1相同，不同之处在于：导电粘结性过渡层2的厚度为20μm，导电防腐层3的厚度为500μm，基材为厚度2mm的金属板栅，导电剂A为富勒烯C60、炭黑和聚苯胺(质量比1:1:3)；粘结剂为环氧树脂和聚氨酯(质量比1:1)，导电剂A与粘结剂的质量比为5：1；导电剂B为碳纳米管，防腐剂为聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯(质量比2:3)，导电剂B与防腐剂的质量比为17：3。
复合集流体通过以下方法制得：
(1)将导电剂A、粘结剂、助剂分散于有机溶剂中制成粘度为8000mPa·S的浆料后，通过挤压涂布的方式将浆料涂覆到基材的两面，干燥后形成导电粘结性过渡层，有机溶剂为二甲苯；
(2)将导电剂B和防腐剂混合后通过吹塑的方法制成导电薄膜，之后将导电薄膜通过热辊压贴合的方法粘贴在导电粘结性过渡层之上形成导电防腐层得复合集流体带，再将复合集流体带通过轧花辊，在导电防腐层表面轧出若干半球形的凹坑，最后用刀模将集流体带冲成所需的大小和形状即得复合集流体。
各实施例中的复合集流体性能测试如下：
防腐性能测试：将封好边的复合集流体浸泡在2mol/L的硝酸溶液中，60天后，硝酸溶液不变蓝，将集流体捞出清洗，未发现腐蚀点，说明本发明中的复合集流体防腐性能较佳。
导电性能测试：采用四探针法测得本发明导电防腐层的方阻为102～105Ω/square，说明本发明的复合集流体导电性能优异。
导电防腐层电导率测试：用刀片将导电防腐层从基材上剥离，切一条宽1cm的导电防腐薄膜(导电防腐层)，在相隔1cm处划两条线作为万用表两个表笔的接触点。然后将导电防腐薄膜通100mA恒流源，用万用表测其电压为U，由(I＝0.1A)计算出电阻，则由(S＝d×0.01m2，d为膜厚，单位m)计算导电防腐薄膜电导率，ρ＝0.7-1.0Ω.m，测得本发明复合集流体中的中导电薄膜电导率为0.85～0.93(Ω.m)，由此可知本发明的复合集流体导电能力佳。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种高能量密度铅酸电池极板，其特征在于，所述极板包括复合集流体及涂覆于复合集流体表面的铅膏(4)，所述复合集流体包括基材(1)、涂覆于基材其中一面或两面的导电粘结性过渡层(2)以及涂覆于导电粘结性过渡层表面的导电防腐层(3)，所述导电防腐层表面设有若干半球形的凹坑(5)。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度铅酸电池极板，其特征在于，所述基材厚度为0.01mm～2mm；所述导电粘结性过渡层的厚度为5～20μm；所述导电防腐层的厚度为50～500μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种高能量密度铅酸电池极板，其特征在于，所述基材由金属材料制成，所述导电粘结性过渡层由导电剂A及粘结剂组成，所述导电防腐层由共混导电聚合物通过热压或者热辊压贴合于导电粘结性过渡层上而成。
4.根据权利要求3所述的一种高能量密度铅酸电池极板，其特征在于，所述基材为金属箔、金属网、金属板栅、冲孔网、编织网中的一种。
5.根据权利要求3所述的一种高能量密度铅酸电池极板，其特征在于，所述导电粘结性过渡层中导电剂A与粘结剂的质量比为3～5：1；所述共混导电聚合物由导电剂B及防腐剂组成，导电剂B与防腐剂的质量比为2：1～17：3。
6.根据权利要求5所述的一种高能量密度铅酸电池极板，其特征在于，所述导电剂A、导电剂B均为活性炭、活性炭纤维、碳短切纤维、碳纤维粉、碳纳米管、石墨、乙炔黑、石墨烯、富勒烯C60、炭黑、聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)中的一种或几种；所述粘结剂为环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、乙酸-醋酸乙烯树脂、聚氨酯中的一种或几种；所述防腐剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种高能量密度铅酸电池极板，其特征在于，所述复合集流体通过以下方法制得：
(1)将导电剂A、粘结剂、助剂分散于有机溶剂中制成粘度为2000～8000mPa·S的浆料后，通过转移涂布、刮涂、挤压涂布或者丝网印刷的方式将浆料涂覆到基材的其中一面或两面，干燥后形成厚度为5～20μm的导电粘结性过渡层；
(2)将导电剂B和防腐剂混合后通过热辊压或者吹塑的方法制成50～500μm的导电薄膜，之后将导电薄膜通过热压或者热辊压贴合的方法粘贴在导电粘结性过渡层之上形成导电防腐层得复合集流体带，再将复合集流体带通过轧花辊，在导电防腐层表面轧出若干半球形的凹坑，最后用刀模将复合集流体带冲成所需的大小和形状即得复合集流体；或者将防腐剂用乙酸戊酯在80～130℃下溶解，再加入导电剂B，搅拌均匀后得粘度为5000～15000mPa·S导电胶料，将导电胶料涂布至导电粘结性过渡层的表面，在130～150℃下使乙酸戊酯挥发后经热辊压形成导电防腐层得复合集流体带，再将复合集流体带通过轧花辊，在导电防腐层表面轧出若干半球形的凹坑，最后用刀模将复合集流体带冲成所需的大小和形状即得复合集流体。
8.根据权利要求7所述的一种高能量密度铅酸电池极板，其特征在于，导电胶料涂布温度控制在80～120℃，涂布速度1～2m/s。
9.根据权利要求7所述的一种高能量密度铅酸电池极板，其特征在于，步骤(1)中所述有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、氮-甲基吡咯烷酮NMP或聚苯乙烯磺酸。
10.一种使用如权利要求1所述的高能量密度铅酸电池极板的铅酸电池。
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