CN107086308B - 一种铅蓄电池板栅及其制备方法 - Google Patents

一种铅蓄电池板栅及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铅蓄电池板栅及其制备方法。所述铅蓄电池板栅，包括边框和边框内由筋条交织形成的呈网状结构的主体部分，所述筋条由碳纤维丝和铅丝复合形成，所述边框由铅合金铸造形成。所述制备方法包括以下步骤：(1)将碳纤维丝和铅丝复合，制成纱线；(2)利用纱线织成网状结构，裁剪获得板栅的主体部分；(3)利用铸造制得边框，铸造过程中将所述主体部分置于上模和下模之间，并且边缘伸入模腔内，使主体部分与边框固定连接。本发明铅蓄电池板栅耐腐蚀、重量轻、生产工艺过程简单，制成的铅蓄电池相较于现有技术其容量和循环寿命均没有降低，甚至还有所提高，符合当前铅蓄电池向着高功率、节能环保方向发展的趋势。

Description

一种铅蓄电池板栅及其制备方法
技术领域
本发明涉及铅蓄电池生产技术领域，特别是涉及一种铅蓄电池板栅及其制备方法。
背景技术
铅蓄电池至今已有150余年的历史，且应用领域非常广泛。近些年，电动车凭其较好的代步性能、较低的存放场地要求和出色的价格优势在我国迅猛发展，得益于此，蓄电池产业也得到了迅速的发展。
铅蓄电池属于可逆直流电源，可将化学能转变为电能，同时也可将电能转变为化学能。铅蓄电池主要由电解液、槽盖以及极群组成，铅蓄电池的电解液为硫酸溶液，其中极群主要由正极板、负极板和隔板组成，隔板主要起到储存电解液，作为氧气复合的气体通道，起到防止活性物质脱落以及正、负极之间短路的作用。
在蓄电池生产加工过程中，板栅作为铅膏的载体和导体，铅膏只有填涂在板栅上经过固化干燥后才能成为极板，而极板却是铅蓄电池的核心，板栅犹如骨架，对整个极板的强度和使用寿命都有直接的影响。
铅蓄电池板栅对极板具有分流作用，使得电流均匀分布到活性物质中，而且对电流的传导体起着集流、汇流和输流的作用，因此铅蓄电池板栅是决定电池性能的关键性因素。铅蓄电池板栅的生产方式有很多种，目前主要是采用铅钙合金和铅钙锡铝银稀土合金制备，但是铅钙合金强度差，铸造困难，尤其是阳极氧化过程中生长的高阻抗钝化膜极大地影响着电池的深充放电循环能力，使板栅的应用带来了困难。而铅钙锡铝银稀土合金在凝固时易热裂，合金的流动性差。因此板栅设计要综合考虑铅蓄电池的用途、铸造水平、模具制造能力、筋条结构及筋条间距的要求及影响。由于铅具有密度大的劣势，则铅蓄电池在功率密度和比能量方面相对较低，而采用铅材料制备的非活性部件的板栅，使得铅蓄电池的比能量进一步降低。
发明内容
本发明针对现有技术中铅钙合金和铅钙锡铝银稀土合金制成的板栅存在的不足，提供了一种强度大、模量高、密度低、比能量高和耐腐蚀性好的铅蓄电池板栅。
一种铅蓄电池板栅，包括边框和边框内由筋条交织形成的呈网状结构的主体部分，所述筋条由碳纤维丝和铅丝复合形成，所述边框由铅合金铸造形成。
所述筋条以碳纤维丝作为芯线，铅丝作为外包线，铅丝螺旋缠绕在碳纤维丝上。将铅丝作为外包线，铅丝将碳纤维包覆在里面，因此铅丝覆盖在板栅的外表面，在制作铅蓄电池的极板时板栅外表面的铅丝和铅膏有很好的结合力。
所述筋条由铅丝和碳纤维丝双向缠绕形成。
所述筋条的直径为0.92-1.25mm。
所述边框的厚度为1.35～2.30mm。
所述筋条的分布密度为：横向筋条20～30根/10cm，纵向筋条18～23根/10cm。
所述铅蓄电池板栅的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳纤维丝和铅丝复合，制成纱线；
(2)利用纱线织成网状结构，裁剪获得板栅的主体部分；
(3)利用铸造制得边框，铸造过程中将所述主体部分置于上模和下模之间，并且边缘伸入模腔内，使主体部分与边框固定连接。
步骤(2)中纱线以平纹、斜纹或缎纹方式组织。
本发明铅蓄电池板栅利用碳纤维丝和铅丝复合制成纱线然后织成网状结构后与边框同时铸造固定连接，充分利用了碳纤维的轴向强度大、模量高、密度低、比能量高和耐腐蚀性好，而且具有良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等优点。本发明铅蓄电池板栅具有耐腐蚀、重量轻、生产工艺过程简单，可以做的更薄，厚度更均匀，制成的铅蓄电池相较于现有技术其容量和循环寿命均没有降低，甚至还有所提高，符合当前铅蓄电池向着高功率、节能环保方向发展的趋势。
附图说明
图1为本发明碳纤维/铅丝包缠纱的结构示意图。
图2为实施例1中平纹结构板栅的结构示意图。
图3为实施例2中斜纹结构板栅的结构示意图。
图4为实施例3中缎纹结构板栅的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种直径为0.6mm的碳纤维丝(购自日本东丽公司)和一种直径为0.5mm的铅丝(购自大唐铅丝)，其碳纤维丝作为芯纱，铅丝作为外包纱，在YH08A花色捻线机上制作碳纤维/铅丝包缠纱，这种纱线的结构如图1所示，其细度直径为0.92mm。
利用上述纱线(碳纤维/铅丝包缠纱)织成网状结构，并裁剪成板栅的主体部分，即边框内筋条部分，方法如下：
选用平纹组织结构设计，首先根据平纹的经纱和纬纱的层数确定平纹结构经纱和纬纱的交织规律，画出碳纤维/铅丝铅蓄电池新型结构板栅平纹结构预制件织物组织的结构示意图，然后根据平纹织物组织的结构示意图画出平纹机织物的组织图和上机图。最后选用SL8900Evergreen全自动小样织机，其织机的钢筘筘号选择20，采用上述碳纤维/铅丝包缠纱作为经纱和纬纱以1入穿法进行穿经、穿筘工序，随后在SL8900Evergreen全自动小样织机设置平纹组织结构的上机图，进行碳纤维/铅丝铅蓄电池新型结构板栅平纹预制件织造，其最后制得的板栅主体部分预制件经向密度为20根/10cm，纬向密度为18根/10cm。
将织造成的板栅主体部分预制件裁剪成136mm×64mm(经向裁剪作为板栅的横向筋条，纬向裁剪作为板栅的纵向筋条)，然后利用铸造制得边框，边框采用铅钙锡铝银稀土合金，铸造过程中将主体部分置于上模和下模之间，并且边缘伸入模腔内，使主体部分与边框固定连接，制成板栅，板栅结构如图2所示，板栅主体部分的横向筋条和纵向筋条由碳纤维/铅丝包缠纱编织成平纹结构。
正极板栅尺寸为138mm×66mm，外部边框厚度是2.3mm，主体部分的筋条厚度为0.92mm，板栅重量为21.25g。负极板栅的尺寸为138mm×66mm，外部边框厚度是1.35mm，主体部分的筋条厚度为0.92mm，板栅重量为18.36g。
实施例2
一种直径为0.8mm的碳纤维丝(购自日本东丽公司)和一种直径为0.6mm的铅丝(购自大唐铅丝)，其碳纤维丝作为芯纱，铅丝作为外包纱，在YH08A花色捻线机上制作碳纤维/铅丝包缠纱，这种纱线的结构如图1所示，其细度直径为1.1mm。
利用上述纱线(碳纤维/铅丝包缠纱)织成网状结构，并裁剪成板栅的主体部分，即边框内筋条部分，方法如下：
选用斜纹组织结构设计，首先根据斜纹的经纱和纬纱的层数确定斜纹结构经纱和纬纱的交织规律，画出碳纤维/铅丝铅蓄电池新型结构板栅斜纹结构预制件织物组织的结构示意图，然后根据斜纹织物组织的结构示意图画出斜纹机织物的组织图和上机图。最后选用SL8900Evergreen全自动小样织机，其织机的钢筘筘号选择25，采用上述碳纤维/铅丝包缠纱作为经纱和纬纱以1入穿法进行穿经、穿筘工序，随后在SL8900Evergreen全自动小样织机设置斜纹组织结构的上机图，进行碳纤维/铅丝铅蓄电池新型结构板栅斜纹预制件织造，其最后制得的板栅主体部分预制件经向密度为25根/10cm，纬向密度为20根/10cm。
将织造成的板栅主体部分预制件裁剪成136mm×64mm(经向裁剪作为板栅的横向筋条，纬向裁剪作为板栅的纵向筋条)，然后利用铸造制得边框，边框采用铅钙锡铝银稀土合金，铸造过程中将主体部分置于上模和下模之间，并且边缘伸入模腔内，使主体部分与边框固定连接，制成板栅，板栅结构如图3所示，板栅主体部分的横向筋条和纵向筋条由碳纤维/铅丝包缠纱编织成斜纹结构。
正极板栅尺寸为138mm×66mm，外部边框厚度是2.3mm，其中中间筋条厚度为1.1mm，板栅重量为23.42g。负极板栅的尺寸为138mm×66mm，外部边框厚度是1.35mm，其中中间筋条厚度为1.1mm，板栅重量为19.85g。
实施例3
一种直径为0.9mm的碳纤维丝(购自日本东丽公司)和一种直径为0.7mm的铅丝(购自大唐铅丝)，其碳纤维丝作为芯纱，铅丝作为外包纱，在YH08A花色捻线机上制作碳纤维/铅丝包缠纱，这种纱线的结构如图1所示，其细度直径为1.25mm。
利用上述纱线(碳纤维/铅丝包缠纱)织成网状结构，并裁剪成板栅的主体部分，即边框内筋条部分，方法如下：
选用缎纹纹组织结构设计，首先根据缎纹的经纱和纬纱的层数确定缎纹结构经纱和纬纱的交织规律，画出碳纤维/铅丝铅蓄电池新型结构板栅缎纹结构预制件织物组织的结构示意图，然后根据缎纹织物组织的结构示意图画出缎纹机织物的组织图和上机图。最后选用SL8900Evergreen全自动小样织机，其织机的钢筘筘号选择30，采用上述碳纤维/铅丝包缠纱作为经纱和纬纱以1入穿法进行穿经、穿筘工序，随后在SL8900Evergreen全自动小样织机设置缎纹组织结构的上机图，进行碳纤维/铅丝铅蓄电池新型结构板栅缎纹预制件织造，其最后制得的板栅主体部分预制件经向密度为30根/10cm，纬向密度为23根/10cm。
将织造成的板栅主体部分预制件裁剪成136mm×64mm(经向裁剪作为板栅的横向筋条，纬向裁剪作为板栅的纵向筋条)，然后利用铸造制得边框，边框采用铅钙锡铝银稀土合金，铸造过程中将主体部分置于上模和下模之间，并且边缘伸入模腔内，使主体部分与边框固定连接，制成板栅，板栅结构如图4所示，板栅主体部分的横向筋条和纵向筋条由碳纤维/铅丝包缠纱编织成缎纹结构。
正极板栅尺寸为138mm×66mm，外部边框厚度是2.3mm，其中中间筋条厚度为1.25mm，板栅重量为24.58g，负极板栅的尺寸为138mm×66mm，外部边框厚度是1.35mm，其中中间筋条厚度为1.25mm，板栅重量为20.28g。
对比例1
板栅采用铅钙锡铝银稀土合金重力铸造的方式浇筑而成，其熔铅锅的温度高达550℃，铸造成的正极板板栅尺寸是138mm×66mm，边框板栅厚度是2.8mm，内部筋条厚度为1.3mm，板栅的重量为30g；负极板板栅尺寸是138mm×66mm，边框板栅厚度是1.35mm，内部筋条厚度为1.3mm，板栅的重量为23g。这种重力浇铸式铅钙锡铝银稀土板栅生产效率低，自动化水平低，板栅重量和厚度大，但其机械强度高、尺寸稳定、生产成本高。
实施例4
将实施例1～3以及对比例1制备的板栅按相同方法制成极板，分别组装成20Ah单体电池，然后对他们的容量进行检测，检测方法如下：
蓄电池在温度为25℃±5℃的环境中，以端电压2.5V±0.1V(限流6A)的恒定电压连续充电20h，蓄电池经完全充电后，在温度为25℃±2℃的环境中静止1h～24h，当蓄电池的表面温度为25℃±2℃时，进行容量放电实验，以电流I(10A)连续放电至蓄电池端电压达1.75V时终止，在放电过程中，放电电流的波动不得超过规定值的±1％。测量并记录放电开始时蓄电池的表面初始温度和端电压值，放电期间每隔30min测量并记录一次蓄电池的端电压及蓄电池表面温度，在放电末期要随时测量端电压并确定和记录放电持续的时间T。
按照计算蓄电池的实际容量Ca：
Ca＝I×T/(1+f(t-25))，
式中：
I-放电电流，单位为安培(A)；
T-放电持续时间的数值，单位为小时(h)；
t-放电过程中蓄电池表面平均温度的数值，单位为摄氏度(℃)；
Ca-基准温度25℃时蓄电池实际容量的数值，单位为安时(Ah)；
f-温度系数，单位为每摄氏度(1/℃)，数值为0.006。
按照上述测试20Ah电池容量三次，取其最大值作为单体电池20Ah的容量。
结果如表1所示，板栅采用碳纤维/铅丝复合线制备的20Ah单体电池比板栅采用铅钙锡铝银稀土合金制备的20Ah单体电池的容量相对较高一点，这主要是由于碳纤维/铅丝复合线板栅稳定性较好，并且碳纤维/铅丝板栅的筋条更细，筋条之间的间距更小，使得筋条之间的导电性能更好，从而活性物质的利用更充分，从而会提高单体电池的容量。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
容量/Ah 21.6 21.7 21.5 20.8
实施例5
将实施例1～3以及对比例1制备的板栅按相同方法制成极板，分别组装成20Ah单体电池，然后对他们的循环寿命进行检测，检测方法如下：
将蓄电池完全充电后，在25℃±5℃的环境中，以10A的电流放电1.6h，然后以恒定电压2.67V(限流2.5A)充电6.4h，以此作为一个循环，当放电1.6h，蓄电池端电压连续三次低于1.75V时，认为蓄电池循环寿命终止，此三次不计入循环次数内。总共的循环数记为此单体电池的循环寿命。
结果如表2所示，通过充放电实验发现板栅采用碳纤维/铅丝复合线制备的20Ah单体电池比板栅采用铅钙锡铝银稀土合金制备的20Ah单体电池的循环寿命相对较高一点，这主要是由于碳纤维/铅丝板栅的筋条更细更密，提高了导电性，使得电流均匀分布到活性物质中，而且对电流的传导体起着很好的集流、汇流和输流的作用。此外碳纤维导电性能较好，阻抗较小，使得碳纤维/铅丝板栅电化学阻抗值比普通板栅低，使得制备的20Ah单体电池循环寿命相对较长。
表2
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
循环寿命/次 263 255 242 224

Claims (2)

1.一种铅蓄电池板栅，包括边框和边框内由筋条交织形成的呈网状结构的主体部分，其特征在于，所述筋条由碳纤维丝和铅丝复合形成，所述边框由铅合金铸造形成，
所述筋条的直径为0.92-1.25mm，所述边框的厚度为1.35～2.30mm，所述筋条的分布密度为：横向筋条20～30根/10cm，纵向筋条18～23根/10cm，
所述铅蓄电池板栅的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳纤维丝和铅丝复合，制成纱线；
(2)利用纱线织成网状结构，裁剪获得板栅的主体部分；
(3)利用铸造制得边框，铸造过程中将所述主体部分置于上模和下模之间，并且边缘伸入模腔内，使主体部分与边框固定连接，
所述筋条以碳纤维丝作为芯线，铅丝作为外包线，铅丝螺旋缠绕在碳纤维丝上，
所述筋条由铅丝和碳纤维丝双向缠绕形成。
2.如权利要求1所述的铅蓄电池板栅，其特征在于，步骤(2)中纱线以平纹、斜纹或缎纹方式组织。
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