CN106299374A - 一种高性能铅蓄电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种高性能铅蓄电池正极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能铅蓄电池正极材料，包括以下组分：铅粉50‑70份，聚丙烯腈短纤维0.5‑1份，二氧化铅20‑40份，Nb3Al超导材料0.3‑0.7份。本发明还公开了该铅蓄电池正极材料的制备方法，本发明在铅蓄电池正极材料中加入一定量的Nb3Al超导材料，有效提高了电池电极的充放电能力，提高化成效率，且该正极材料制备周期短，工艺简单，制备效率高，成本低。

Description

一种高性能铅蓄电池正极材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及铅蓄电池技术领域，具体的涉及一种高性能铅蓄电池正极材料。
背景技术：
目前，把铅酸蓄电池用作电动汽车动力电源已被国内外学者公认为铅蓄电池的三个最大发展趋势之一。但至今，铅蓄电池之所以尚未应用于电动车辆，最关键的因素是铅蓄电池在车上运行寿命太短而导致电动车运营费用过高。在一般情况下，铅蓄电池的寿命主要取决于其正极板的性能，主要是正极板的腐蚀性能和活性物质的软化脱粉。尽管这种原因对电池的寿命影响是同时存在的，但是再深充放电条件下，正极活性物质的软化脱粉所造成的电池寿命降低是主要的，此外，正极活性物质的利用率低也是铅蓄电池应用受限制的一个主要问题所在。
利用加压的办法促进电解液的扩散以及通过降低极板的厚度或铅膏的密度，可以提高正极活性物质的利用率(以下简称PM U)。但这些方法使极板寿命降低，并且增大板栅腐蚀，促进活性物质的脱落，从而导致极板的耐久性降低。使用添加剂改善活性物质，提高极板的孔率或者提高其导电性，以提高电池的比能量，近年来受到人们的重视。目前常用的添加剂为无定形碳、石墨等，虽然其在电池循环初期表现出了良好的性能，但是由于铅蓄电池内部应用环境较为苛刻，容易使得添加剂的作用失效。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高性能铅蓄电池正极材料，其添加Nb3Al超导材料，有效增加了电极的充放电能力，使得铅蓄电池的循环性能得到改善，铅蓄电池的放电容量也得到明显提高。
本发明的另一个目的是提供该高性能铅蓄电池正极材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高性能铅蓄电池正极材料，以重量份计，包括以下组分：
铅粉50-70份，
聚丙烯腈短纤维0.5-1份，
二氧化铅20-40份，
Nb3Al超导材料0.3-0.7份。
作为上述技术方案的优选，所述聚丙烯腈短纤维的直径为5-10μm，其长度为1-3mm。
作为上述技术方案的优选，所述Nb3Al超导材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将纯度为99.99％的Nb粉均匀铺洒在石英舟内，放入管式炉，通入氢气和氩气的混合气，在300-400℃的温度区间下加热，保温2-3h，随炉冷却后取出，得到预处理铌粉；
(2)按Nb3Al分子式中Nb与Al原子摩尔比为3:1进行配料，称取纯度为99.99％的铝粉和步骤(1)制得的预处理铌粉，然后将二者放入玛瑙研钵中，研磨混合均匀，然后使用模具压制成块状料坯，用铌箔包裹；
(3)将包裹好的块状料坯放入石英舟内，然后将石英舟放入管式炉中，在氢气和氩气的混合气保护下，将炉温升温至1400-1450℃，保温6-10h，然后快速冷却至室温，得到Nb3Al超导材料。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述氢气和氩气的混合气中，氢气和氩气的体积分数分别为：4.7-99％、1-95.3％。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述压制成形时，压制压力为10-12MPa。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述氢气和氩气的混合气中，氢气和氩气的体积分数分别为4.5％、95.5％。
一种高性能铅蓄电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈短纤维、二氧化铅和铅粉混合研磨均匀，得到混合物料；
(2)将Nb3Al超导材料和步骤(1)制得的混合物料混合均匀后，球磨，得到高性能铅蓄电池正极材料。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述球磨的条件为：580rpm下球磨2-7h。
本发明具有以下有益效果：
本发明在正极材料中同时添加聚丙烯腈短纤维和Nb3Al超导材料，并合理控制二者的添加量，提高了正极活性物质的利用率，有效提高了电极的充放电能力，改善了其循环性能，其化成效率也得以改善；
本发明公开了的Nb3Al超导材料的制备方法中，利用铌粉吸收气体的特性，首先对铌粉进行预处理，通过氢气与铌粉的物理化学作用，产生含有氢气的铌粉和微量铌氢化合物，细化了镍粉，预处理后的铌粉质量高；然后采用细化的铌粉与铝粉通过扩散反应制得Nb3Al超导材料，其成分均匀，性能优良；
本发明公开的高性能铅蓄电池正极材料的制备方法，工艺简单，成本低，没有引入其他杂质，制得的正极材料性能优异。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种高性能铅蓄电池正极材料，以重量份计，包括以下组分：
铅粉50份，
聚丙烯腈短纤维0.5份，
二氧化铅20份，
Nb3Al超导材料0.3份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)Nb3Al超导材料的制备：
a)将纯度为99.99％的Nb粉均匀铺洒在石英舟内，放入管式炉，通入体积分数为4.7％氢气和95.3％氩气的混合气，在300℃的温度区间下加热，保温2h，随炉冷却后取出，得到预处理铌粉；
b)按Nb3Al分子式中Nb与Al原子摩尔比为3:1进行配料，称取纯度为99.99％的铝粉和步骤a)制得的预处理铌粉，然后将二者放入玛瑙研钵中，研磨混合均匀，然后使用模具压制成块状料坯，压制压力为10MPa，然后用铌箔包裹；
c)将包裹好的块状料坯放入石英舟内，然后将石英舟放入管式炉中，在体积分数为4.5％氢气和95.5％氩气的混合气保护下，将炉温升温至1400℃，保温10h，然后快速冷却至室温，得到Nb3Al超导材料；
(2)将聚丙烯腈短纤维、二氧化铅和铅粉混合研磨均匀，得到混合物料；
(3)将Nb3Al超导材料和步骤(2)制得的混合物料混合均匀后，580rpm下球磨2h，得到高性能铅蓄电池正极材料。
实施例2
一种高性能铅蓄电池正极材料，以重量份计，包括以下组分：
铅粉70份，
聚丙烯腈短纤维1份，
二氧化铅40份，
Nb3Al超导材料0.7份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)Nb3Al超导材料的制备：
a)将纯度为99.99％的Nb粉均匀铺洒在石英舟内，放入管式炉，通入体积分数为99％氢气和1％氩气的混合气，在400℃的温度区间下加热，保温3h，随炉冷却后取出，得到预处理铌粉；
b)按Nb3Al分子式中Nb与Al原子摩尔比为3:1进行配料，称取纯度为99.99％的铝粉和步骤a)制得的预处理铌粉，然后将二者放入玛瑙研钵中，研磨混合均匀，然后使用模具压制成块状料坯，压制压力为10MPa，然后用铌箔包裹；
c)将包裹好的块状料坯放入石英舟内，然后将石英舟放入管式炉中，在体积分数为4.5％氢气和95.5％氩气的混合气保护下，将炉温升温至1450℃，保温6h，然后快速冷却至室温，得到Nb3Al超导材料；
(2)将聚丙烯腈短纤维、二氧化铅和铅粉混合研磨均匀，得到混合物料；
(3)将Nb3Al超导材料和步骤(2)制得的混合物料混合均匀后，580rpm下球磨7h，得到高性能铅蓄电池正极材料。
实施例3
一种高性能铅蓄电池正极材料，以重量份计，包括以下组分：
铅粉55份，
聚丙烯腈短纤维0.6份，
二氧化铅26份，
Nb3Al超导材料0.4份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)Nb3Al超导材料的制备：
a)将纯度为99.99％的Nb粉均匀铺洒在石英舟内，放入管式炉，通入体积分数为24.5％氢气和75.5％氩气的混合气，在320℃的温度区间下加热，保温2.3h，随炉冷却后取出，得到预处理铌粉；
b)按Nb3Al分子式中Nb与Al原子摩尔比为3:1进行配料，称取纯度为99.99％的铝粉和步骤a)制得的预处理铌粉，然后将二者放入玛瑙研钵中，研磨混合均匀，然后使用模具压制成块状料坯，压制压力为11MPa，然后用铌箔包裹；
c)将包裹好的块状料坯放入石英舟内，然后将石英舟放入管式炉中，在体积分数为4.5％氢气和95.5％氩气的混合气保护下，将炉温升温至1410℃，保温7h，然后快速冷却至室温，得到Nb3Al超导材料；
(2)将聚丙烯腈短纤维、二氧化铅和铅粉混合研磨均匀，得到混合物料；
(3)将Nb3Al超导材料和步骤(2)制得的混合物料混合均匀后，580rpm下球磨3h，得到高性能铅蓄电池正极材料。
实施例4
一种高性能铅蓄电池正极材料，以重量份计，包括以下组分：
铅粉60份，
聚丙烯腈短纤维0.7份，
二氧化铅32份，
Nb3Al超导材料0.5份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)Nb3Al超导材料的制备：
a)将纯度为99.99％的Nb粉均匀铺洒在石英舟内，放入管式炉，通入体积分数为56.2％氢气和43.8％氩气的混合气，在340℃的温度区间下加热，保温2.6h，随炉冷却后取出，得到预处理铌粉；
b)按Nb3Al分子式中Nb与Al原子摩尔比为3:1进行配料，称取纯度为99.99％的铝粉和步骤a)制得的预处理铌粉，然后将二者放入玛瑙研钵中，研磨混合均匀，然后使用模具压制成块状料坯，压制压力为11MPa，然后用铌箔包裹；
c)将包裹好的块状料坯放入石英舟内，然后将石英舟放入管式炉中，在体积分数为4.5％氢气和95.5％氩气的混合气保护下，将炉温升温至1420℃，保温8h，然后快速冷却至室温，得到Nb3Al超导材料；
(2)将聚丙烯腈短纤维、二氧化铅和铅粉混合研磨均匀，得到混合物料；
(3)将Nb3Al超导材料和步骤(2)制得的混合物料混合均匀后，580rpm下球磨4h，得到高性能铅蓄电池正极材料。
实施例5
一种高性能铅蓄电池正极材料，以重量份计，包括以下组分：
铅粉65份，
聚丙烯腈短纤维0.8份，
二氧化铅37份，
Nb3Al超导材料0.6份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)Nb3Al超导材料的制备：
a)将纯度为99.99％的Nb粉均匀铺洒在石英舟内，放入管式炉，通入体积分数为83.5％氢气和16.5％氩气的混合气，在370℃的温度区间下加热，保温2.8h，随炉冷却后取出，得到预处理铌粉；
b)按Nb3Al分子式中Nb与Al原子摩尔比为3:1进行配料，称取纯度为99.99％的铝粉和步骤a)制得的预处理铌粉，然后将二者放入玛瑙研钵中，研磨混合均匀，然后使用模具压制成块状料坯，压制压力为12MPa，然后用铌箔包裹；
c)将包裹好的块状料坯放入石英舟内，然后将石英舟放入管式炉中，在体积分数为4.5％氢气和95.5％氩气的混合气保护下，将炉温升温至1440℃，保温9h，然后快速冷却至室温，得到Nb3Al超导材料；
(2)将聚丙烯腈短纤维、二氧化铅和铅粉混合研磨均匀，得到混合物料；
(3)将Nb3Al超导材料和步骤(2)制得的混合物料混合均匀后，580rpm下球磨5h，得到高性能铅蓄电池正极材料。

Claims (8)

1.一种高性能铅蓄电池正极材料，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：
铅粉50-70份，
聚丙烯腈短纤维0.5-1份，
二氧化铅20-40份，
Nb3Al超导材料0.3-0.7份。
2.如权利要求1所述的一种高性能铅蓄电池正极材料，其特征在于：所述聚丙烯腈短纤维的直径为5-10μm，其长度为1-3mm。
3.如权利要求1所述的一种高性能铅蓄电池正极材料，其特征在于，所述Nb3Al超导材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将纯度为99.99％的Nb粉均匀铺洒在石英舟内，放入管式炉，通入氢气和氩气的混合气，在300-400℃的温度区间下加热，保温2-3h，随炉冷却后取出，得到预处理铌粉；
(2)按Nb3Al分子式中Nb与Al原子摩尔比为3:1进行配料，称取纯度为99.99％的铝粉和步骤(1)制得的预处理铌粉，然后将二者放入玛瑙研钵中，研磨混合均匀，然后使用模具压制成块状料坯，用铌箔包裹；
(3)将包裹好的块状料坯放入石英舟内，然后将石英舟放入管式炉中，在氢气和氩气的混合气保护下，将炉温升温至1400-1450℃，保温6-10h，然后快速冷却至室温，得到Nb3Al超导材料。
4.如权利要求3所述的一种高性能铅蓄电池正极材料，其特征在于：步骤(1)中，所述氢气和氩气的混合气中，氢气和氩气的体积分数分别为：4.7-99％、1-95.3％。
5.如权利要求3所述的一种高性能铅蓄电池正极材料，其特征在于：步骤(2)中，所述压制成形时，压制压力为10-12MPa。
6.如权利要求3所述的一种高性能铅蓄电池正极材料，其特征在于：步骤(3)中，所述氢气和氩气的混合气中，氢气和氩气的体积分数分别为4.5％、95.5％。
7.如权利要求1至6任一所述的一种高性能铅蓄电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈短纤维、二氧化铅和铅粉混合研磨均匀，得到混合物料；
(2)将Nb3Al超导材料和步骤(1)制得的混合物料混合均匀后，球磨，得到高性能铅蓄电池正极材料。
8.如权利要求7所述的一种高性能铅蓄电池正极材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述球磨的条件为：580rpm下球磨2-7h。
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