CN105336945A - 一种高比能量铅酸电池制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高比能量铅酸电池制作方法，属于铅酸蓄电池制作技术领域。通过改进电池制作工艺，降低板栅重量、提高铅粉氧化度、采用专用的和膏设备，将以往的和膏工艺作适当调整、提高涂膏重量、对极板固化、干燥工艺进行改进优化、改进化成方式，进而达到生产质量良好、过程可控且满足电池性能要求的高比能量铅酸电池。这种电池可以显著提高电池比容量,还通过降低非活性物质重量进而提高电池比能量。

Description

一种高比能量铅酸电池制作方法
技术领域
本发明涉及一种高比能量铅酸电池制作方法，属于铅酸蓄电池制作技术领域。
背景技术
铅酸蓄电池的生产应用已有一百多年，目前市场容量很大。但是它有两个致命缺点，一是比能量低、二是寿命不长，行业技术人员一则在致力改进提升。
从理论上讲，铅酸电池的正极活性材料利用率不到40%，负极活性材料利用率不到50%，如果把活性物质利用率提升起来，电池的比能量提高还是有可能的。目前的大部分铅酸电池的重量比能量约30~40Wh/Kg，如果把正、负极活性材料利用率提到60~70%，电池的重量比能量将从40Wh/Kg升至50Wh/Kg，如果再把电池的非活性材料用量下降，电池的重量比能量将达53Wh/Kg。如果活性物质利用率再提升，电池的重量比能量将还要提升。
而活性物质的利用率低的主要原因是活性物质间电阻大，现有铅酸电池正负极铅膏的组分和配比不合理，缺少导电性能好的材料，铅膏中未能形成良好的导电网络，加之电池制作中和膏、极板固化和化成等工艺中存在的问题，使电池的重量比能量很难得到提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种工艺先进、操作规范、能显著提高产品质量的高比能量铅酸电池制作方法。
本发明所采用的技术方案如下：高比能量铅酸电池制作方法，包括铅膏和膏、极板固化、干燥以及化成，其改进之处是铅膏和膏时，在正、负极铅膏中加入导电碳纤维和石墨烯、碳材料，极板固化时正极板采用多阶段低温固化，化成时电解液中加入柠檬酸添加剂，所述制作方法操作如下：
（一）铅膏和膏
（1）备料
其中正极铅膏的组分及其在铅膏总量中的重量百分比为：铅粉70%～72%，红丹9%～11%，短纤维0.1%～0.15%，导电碳纤维0.3%～0.5%，石墨烯、碳材料0.8%～1.5%，纯水12%～17%，硫酸3%～5%；
负极铅膏的组分及其在铅膏总量中的重量百分比为：铅粉68%～71%，硫酸钡1.5%～2.5%，导电碳纤维0.1%～0.5%，短纤维0.1%～0.15%，石墨烯、碳材料0.8%～1.5%，纯水13%～18%，硫酸8%～10%；
（2）干混
将正极铅膏中备好料的铅粉、红丹、短纤维和导电碳纤维一起混合4～8min，将负极铅膏中备好料的铅粉、硫酸钡、导电碳纤维和短纤维一起混合5～10min；
（3）湿混
分别在上述干混后的正、负极铅膏中加入由备好料的石墨烯、碳材料在纯水中经高速分散机分散2.5～4小时的混合水溶液，混合10～20min；
（4）酸混
分别在上述湿混后的正、负极铅膏中缓慢加入备好料的硫酸进行酸混，控制加酸时间8～12min，加酸后继续搅拌25～35min；
上述和膏过程中温度不超过70℃，出膏温度控制在50～55℃；
（二）极板固化、干燥
正负极板固化、干燥工艺参数如下：
（三）化成
电池注酸密度1.350～1.355g/cm3，注酸温度<15℃，电解液中加入柠檬酸添加剂。
所述导电碳纤维为PAN基导电碳纤维，纤维长度为1.5～2.5mm，直径7～9μm，碳含量>98%，经过超高温处理；所述铅粉采用氧化度为80%的铅粉；所述酸混过程中加入的硫酸密度为1.3～1.4g/cm3；所述化成过程中，加入的柠檬酸添加剂占电解液重量百分比为5%～10%。
提高电池重量比能量有两条途径：减少非活性物质的重量和提高电池容量，本发明通过一系列改进，取得如下积极效果：
（1）重新制作动力型板栅模具，降低板栅边框厚度；改进梳齿板，减少汇流排用铅重量，即大幅度减少电池非活性物质重量。
（2）采用专用的和膏设备，将以往的和膏配方及工艺作适当调整，增加铅膏中酸和水含量，降低铅膏视密度，提高铅膏孔率，使硫酸更容易扩散到极板内部，提高活性物质利用率，提高容量。
在正、负极铅膏中加入PAN基导电碳纤维（长度1.5～2.5mm，直径7-9微米，经过超高温度处理，碳含量＞98%），一是导电碳纤维在铅膏中容易三维导电网格，大幅度降低电池内阻，提高电池导电性能，提高活性物质利用率；二是三维网状结构容易形成交错的无数孔道，利于硫酸扩散至极板内部，大大提高活性物质利用率，进而大大提高电池容量。
铅膏中加入导电性超强的石墨烯及碳材料并对其进行水溶液高速分散处理，使其在铅膏中均匀分散，有利于大幅度降低电池内阻，提高电池导电性能，大大提高活性物质利用率，进而大大提高电池容量。
（3）通过试验确定并优化活性物质配比、提高涂膏重量并降低极群装配比，提高了电池容量。
（4）对固化、干燥工艺进行改进优化，正极由原来的一步高温固化工艺改成多阶段低温固化，优化生极板铅膏成分，更加有利于在该工艺下化成阶段正极转化更多的β-PbO2（决定容量的主要活性物质成分），有利于电池容量的大幅度提升。
（5）采用专用外化成方式进行极板化成，使电池活性物质转化的更加充分；其中电解液中加入柠檬酸添加剂，正极在充电时由于柠檬酸的存在造成板栅与活性物质之间产生了难以还原的PbO2，从而提高了导电性，既而提高了电池容量。
在以上改进工艺基础之上制作生产质量良好、过程可控且满足电池性能要求的高重量比能量铅酸电池。这种电池可以显著提高电池容量，再通过技术手段进一步降低非活性物质等重量，进而使电池重量比能量有大幅度提升。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明,实施例中制作方法如下（未讲明的部分采用现有技术）：
（1）采用专用的和膏设备，将以往的和膏工艺作合理调整，其中正极铅膏加入占铅膏总量70.5%的铅粉（采用氧化度为80%的铅粉）、占铅膏总量10%的红丹、占铅膏总量0.1%的短纤维、占铅膏总量0.4%的碳纤维干混5min，然后加入碳材料、石墨烯混合水溶液（将占铅膏总量1.0%的碳材料、石墨烯加入到占铅膏总量14%的纯水中在高速分散机中分散3小时）湿混12min；缓慢加入占铅膏总量4%的硫酸（1.4g/cm3）进行酸混，严格控制加酸时间8-12min以免铅膏温度骤升；加酸完毕后继续搅拌30min至铅膏外观色泽均一，测量铅膏视密度和温度，待合格后出膏，采用散热冷却系统保证活性物质制备过程中和膏温度最高不超过70℃,出膏涂片温度控制在50-55℃。
（2）负极配方加入占铅膏总量70.6%的铅粉、占铅膏总量2%的硫酸钡、占铅膏总量0.3%的碳纤维、占铅膏总量0.1%的短纤维干混8min；然后加入碳材料、石墨烯混合水溶液（将占铅膏总量1%的碳材料、石墨烯加入到占铅膏总量16%的纯水中在高速分散机中分散3小时）湿混16min缓慢加入占铅膏总量10%的硫酸（1.35g/cm3）进行酸混，严格控制加酸时间8-12min以免铅膏温度骤升；加酸完毕后继续搅拌30min至铅膏外观色泽均一，测量铅膏视密度和温度，待合格后出膏，采用散热冷却系统保证活性物质制备过程中和膏温度最高不超过70℃,出膏涂片温度控制在50-55℃。
（3）单个极群采用14正15负方式，通过试验优化活性物质配比，确定最佳涂片重量，进行正、负极板的涂片。
（4）对极板固化、干燥工艺进行改进优化，正极由原来的一步高温固化工艺改成多阶段低温固化，更加有利于在该工艺下化成阶段正极转化更多的β-PbO2（决定容量的主要活性物质成分），提高电池容量，具体工艺参数如下：
（5）极板外化成
使用专用电池槽进行极板外化成，化成酸密度（1.05g/cm325℃），充电倍率为电池额定容量的6.9倍。
（6）组装
正极包双层隔膜，负极不包；采用新改进焊接梳齿板，减少汇流排厚度及用铅量，使用专用壳体，槽盖胶封及端子胶封过程中严格控制胶液使用量，降低非活性物质重量。
（7）化成
电池注酸密度：1.352g/cm3（其中电解液中加入占电解液重量百分比6%的柠檬酸添加剂，正极在充电时由于柠檬酸的存在造成板栅与活性物质之间产生了难以还原的PbO2，从而提高了导电性，提高了电池容量），注酸温度：＜15℃。电池制作完成下线后静置24h，进行20hr及50hr测试，测算电池重量比能量。
测试方法：
1、20hr放电：15A放电至电池电压达5.1V/电池；
2、充电：40A充电8h；
3、充电：10A充电至放电量的1.2倍；
4、50hr放电：6A放电至电池电压达5.1V/电池；
5、充电：40A充电8h；
6、充电：10A充电至放电量的1.2倍；
电池检测结束后称重，计算每只电池重量比能量，计算方法：
电池测试容量（Ah）×额定电压（V）÷电池重量（kg）
=重量比能量（Wh/kg）
按照上述测试方法进行测试20hr重量比能量达到58Wh/Kg，50hr重量比能量超过60Wh/Kg。
在以上改进工艺基础之上制作达到生产质量良好、过程可控且满足电池性能要求的高比能量铅酸电池。这种电池可以显著提高电池比容量，通过降低非活性物质重量进而提高电池比能量。

Claims (5)

1.一种高比能量铅酸电池制作方法，包括铅膏和膏、极板固化、干燥以及化成，其特征是铅膏和膏时，在正、负极铅膏中加入导电碳纤维和石墨烯、碳材料，极板固化时正极板采用多阶段低温固化，化成时电解液中加入柠檬酸添加剂，所述制作方法操作如下：
（一）铅膏和膏
（1）备料
其中正极铅膏的组分及其在铅膏总量中的重量百分比为：铅粉70%～72%，红丹9%～11%，短纤维0.1%～0.15%，导电碳纤维0.3%～0.5%，石墨烯、碳材料0.8%～1.5%，纯水12%～17%，硫酸3%～5%；
负极铅膏的组分及其在铅膏总量中的重量百分比为：铅粉68%～71%，硫酸钡1.5%～2.5%，导电碳纤维0.1%～0.5%，短纤维0.1%～0.15%，石墨烯、碳材料0.8%～1.5%，纯水13%～18%，硫酸8%～10%；
（2）干混
将正极铅膏中备好料的铅粉、红丹、短纤维和导电碳纤维一起混合4～8min，将负极铅膏中备好料的铅粉、硫酸钡、导电碳纤维和短纤维一起混合5～10min；
（3）湿混
分别在上述干混后的正、负极铅膏中加入由备好料的石墨烯、碳材料在纯水中经高速分散机分散2.5～4小时的混合水溶液，混合10～20min；
（4）酸混
分别在上述湿混后的正、负极铅膏中缓慢加入备好料的硫酸进行酸混，控制加酸时间8～12min，加酸后继续搅拌25～35min；
上述和膏过程中温度不超过70℃，出膏温度控制在50～55℃；
（二）极板固化、干燥
正负极板固化、干燥工艺参数如下：
（三）化成
电池注酸密度1.350～1.355g/cm3，注酸温度<15℃，电解液中加入柠檬酸添加剂。
2.按权利要求1所述高比能量铅酸电池制作方法，其特征是所述导电碳纤维为PAN基导电碳纤维，纤维长度为1.5～2.5mm，直径7～9μm，碳含量>98%，经过超高温处理。
3.按权利要求1所述高比能量铅酸电池制作方法，其特征是所述铅粉采用氧化度为80%的铅粉。
4.按权利要求1所述高比能量铅酸电池制作方法，其特征是所述酸混过程中加入的硫酸密度为1.3～1.4g/cm3。
5.按权利要求1所述高比能量铅酸电池制作方法，其特征是所述化成过程中，加入的柠檬酸添加剂占电解液重量百分比为5%～10%。
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