CN107946598A - 一种高效环保的铅基蓄电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效环保的铅基蓄电池，包括外壳(1)，外壳(1)内设有正极(2)和负极(3)以及正负极之间的隔离件，还设有电解液，关键是导电基体表面有一层亚氧化钛导电薄膜而构成极板，两片极板相对一体设置而构成正极(2)或负极(3)，上述的两片极板夹持的多根汇流条(4)经连接件(5)与外壳(1)上设置的端子(6)连接，上述的导电基体由堇青石粉、酚醛树脂和石墨粉经高温烧结制成。本发明大幅降低了铅污染并使蓄电池的重量大幅降低，使充放电性能、铅基电池的质量比能量大幅提高。

Description

一种高效环保的铅基蓄电池

技术领域：

本发明涉及一种蓄电池，特别是指一种使用导电陶瓷作为极板的高效环保的铅基蓄电池。

背景技术：

电池是现代工业和生活中必不可少的二次电源，随着社会的进步，蓄电池应用的领域越来越广，蓄电池中有一种传统的铅酸蓄电池在动力电池中得到极广泛的应用，例如电动助力车、小型或中型电动汽车等，铅酸蓄电池具有非常明显的优点，首先是技术成熟，原材料丰富，使用性能安全稳定，成本相对低廉，这是其大量使用的原因。但随着现代生活质量的提高和对环境保护要求的提高，传统的铅酸蓄电池由于使用大量的重金属铅，在重金属铅的制备全过程会产生严重的铅污染，且铅酸蓄电池的重量较大也带来诸多的不便，同时铅酸蓄电池的比能量较低，非成流物质的占比较高。现在已有多种蓄电池技术出现，典型的就是可充放电的锂离子电池，锂离子电池虽有众所周知的优点，但其自身存在的缺陷如不适合较高温环境，虽然也在机动车上作为动力电源使用，但时有自然或爆炸现象的出现且价格较高。因此，如何克服现有的蓄电池各自存在的缺陷，实现一种价格低廉，安全性好，能量密度相对较高且大幅降低对环境污染的综合性能平衡的动力就是一个急待解决的问题。

发明内容：

本发明的发明目的是公开一种电性能好、安全性高、寿命长的环保型的铅基蓄电池。

实现本发明的技术解决方案如下：包括外壳，外壳内设有正极和负极以及正负极之间的隔离件，还设有电解液，关键是导电基体表面有一层亚氧化钛导电薄膜而构成极板，两片极板相对一体设置而构成正极或负极，上述的两片极板夹持的多根汇流条经连接件与外壳上设置的端子连接，上述的导电基体由堇青石粉、酚醛树脂和石墨粉经高温烧结制成。

所述的导电基体的制备步骤如下(组分按重量百分比计)：

a.35～50％的堇青石粉(粒度为5～15μm)与5～10％的酚醛树脂混合，捏压混合后静置4～5小时；

b.40～50％的石墨粉与步骤a的混合物混合后，置于模具中压制，将模具置于加热炉中加热至70～80℃，保温1～2小时，以进一步塑化模具中的混合物料和初步干燥；

c.将步骤b中的带有混合物料的模具置于高温炉中加热，加热过程如下：

①加热至200～220℃，保温10～30分钟；

②加热至800～850℃，升温速率为100℃/h，同时对模具施加一个振动和压力；

③加热至1300～1350℃，升温速率为150℃/h，保温1～2小时，保持压力；

④降温过程为：1300～1350℃降至800℃，对模具减压，然后自然降温至常温，卸去模具得导电基体；

d.在降温至室温的陶瓷极板基体表面热喷涂一层亚氧化钛薄膜得所述的导电基体成品。

所述的步骤b中，在混合物料混合时，加入金属铝粉和/或超细碳化硅粉。

所述的超细碳化硅粉的构成是含70～80％的粒度为50nm～200nm的碳化硅粉和30～20％的粒度为10μm～50μm的碳化硅粉。

所述的步骤c-③时，在对模具施加压力的同时，对模具施加一个振动力，振动力的振幅为0.5～1mm。

在步骤c-④过程中，减压过程是压力随着温度的下降，匀速解除施加的压力，在800℃时，施加的压力解除。

所述的亚氧化钛薄膜的构成(按重量百分比计)是：10～15％的聚乙烯醇、0.3～1％的羧甲基纤维素纳、10～12％的亚氧化钛粉和余量为水，各组分混合后搅拌加热至50～80℃得含亚氧化钛液体。

所述的导电基体的一个表面设有多个相互隔开的具有斜壁面的通孔，基体的另一面有至少二条凹槽。

所述的导电基体为平板状，或为弯曲状，或为弯折状。

所述的通孔为多边形的椎形孔或为圆台形通孔，通孔的斜壁面设有凹部，该凹部为环状凹槽或为多个浅盲孔。

本发明公开的铅基蓄电池相较之传统的铅酸蓄电池具有非常显著的技术进步，本发明的正负极不含有金属铅，使本发明的含铅量较之传统的铅酸蓄电池下降50～60％，大幅降低铅污染的同时还使重量大幅降低。由于本发明的导电基体具有特定的气隙(或气孔)分布，以及特定组成的配方、配比、粒度组合和特别的制备方工艺步骤，使基体表面设置的铅膏之间不仅有极大提高的反应面积，且基体内部的大的气隙(或气孔)内会进入部分铅膏而进一步提高反应面积和反应效率，基体具有良好的导电性和传热性，使充放电性能大幅提高，同时还大幅提高铅基电池的质量比能量。

附图说明：

图1为本发明的局部剖视的整体结构示意图。

图2为导电基体的结构示意图。

图3为正负极与汇流条、连接件的结构示意图。

图4为导电基体的局部断面结构示意图。

具体实施方式：

结合附图给出本发明的具体实施方式的详细描述，需要说明的是本发明的实施方式的详细描述是便于对本发明的技术实质的全面了解，而不应视为是对本发明的权利要求的保护范围的限制。

请参见图1～图4，本发明的具体实施例的技术方案如下：所述的高效环保的铅基蓄电池包括外壳1，外壳1内设有正极2和负极3以及正负极之间的隔离件，还设有电解液，上述的外壳1的形状、结构为现有技术，只需按实际蓄电池的规格进行形状和尺寸设计即可，正极2和负极3的数量设置也按蓄电池的大小要求而设置，关键是导电基体表面有一层亚氧化钛导电薄膜而构成极板，两片极板相对一体设置而构成正极2或负极3，上述的两片极板夹持的多根汇流条4经连接件5与外壳1上设置的端子6连接，上述的导电基体由堇青石粉、酚醛树脂和石墨粉经高温烧结制成；上述技术方案构成中的汇流条4为常规的铅锡合金制备或为其它的导电材料制备，由于上述的导电基体具有良好的导电性能和传热性能，正极2或负极3表面设置的铅膏与极板具有良好的附着性，且具有较大的接触反应面积，进而使蓄电池的电性能大幅提高，上述的导电基体与汇流条4可紧密夹持以实现良好的导电通路。

上述的导电基体的制备步骤如下(组分按重量百分比计)：

a.35～50％的堇青石粉(粒度为5～15μm)与5～10％的酚醛树脂混合，捏压混合后静置4～5小时；

b.40～50％的石墨粉与步骤a的混合物混合后，置于模具中压制，将模具置于加热炉中加热至70～80℃，保温1～2小时，以进一步塑化模具中的混合物料和初步干燥；

c.将步骤b中的带有混合物料的模具置于高温炉中加热，加热过程如下：

①加热至200～220℃，保温10～30分钟；

②加热至800～850℃，升温速率为100℃/h，同时对模具施加一个振动和压力；

③加热至1300～1350℃，升温速率为150℃/h，保温1～2小时，保持压力；

④降温过程为：1300～1350℃降至800℃，对模具减压，然后自然降温至常温，卸去模具得陶瓷极板基体；

d.在降温至室温的陶瓷极板基体表面热喷涂一层亚氧化钛薄膜得所述的导电基体。

上述的堇青石材料是一种通常用于陶瓷或玻璃行业的原料，属于斜晶方系，其物理特性是热膨胀系数小，在本发明中堇青石的主要作用是构成陶瓷的基体，石墨粉在本发明中的主要作用是导电作用和热传导作用，同时起到一定的基体结构作用。在上述的步骤a中，堇青石粉与酚醛树脂混合后，酚醛树脂可浸入堇青石颗粒，在捏压混合后静置4～5小时，进一步使酚醛树脂浸入堇青石颗粒，并使堇青石初步塑化，在上述的步骤b中，随着温度的增加，一方面提高堇青石的塑化程度，另一方面使酚醛树脂中的可挥发成分初步挥发，使模具中的混合物料初步干燥；在步骤c-①中，混合物料加热至200～220℃和保温，使混合物料中的可挥发成分进一步挥发，混合物料按模具的形状要求基本成型且基本固化，大量挥发物的逸出有助于提高烧结后的孔隙为小尺寸孔隙，并有助于提高导电基体的结构强度；在上述的步骤c-②中，酚醛树脂碳化，一部分气体成分在高温下逸出，一部分气体在基体内形成孔隙，对模具施加一个振动和压力，所述的振动为持续的或为间隔性的，压力为1～2Mpa即可，亦可适当增加或减小，振动为每秒5～10次和振幅为3～5mm，上述的压力可进一步提高基体内气体的逸出，振动可使孔隙数量增加而形成大比例的小孔隙，以使石墨粉分布在大量的小孔隙内而提高石墨粉的分散均匀性，以提高导电基体的导电和传热性能，这一步骤十分重要，对提高导电和传热性能至关重要，且酚醛树脂在这一阶段碳化形成热解碳，其与基体的陶瓷成分和石墨粉之间起到连接作用；在上述的步骤c-③中，酚醛树脂完全碳化，且导电基体在1300～1350℃也烧结成型，该升温过程为陶瓷成分的成长过程，保护上述的压力可使片状的导电基体内的晶体结构向平面方向生长，使导电基体的结构强度更佳；在上述的步骤c-④中，从烧结的1300～1350℃至800℃的降温过程，解除前述对模具的施压，该减压过程是压力随着温度下降，匀速下降施加的压力，在800℃时，施加的压力解除，由于导电基体在高温烧结完成后，在降温冷却过程导电基体内会有热应力存在，该热应力一方面会使导电基体变脆，另一方面会在部分热应力消失过程中在导电基体内产生大量的微小裂纹，这些微裂纹的存在一方面降低导电基体的结构强度，一方面会降低导电基体的导电率，故上述从高温状态降温过程中，有控制地施放施加的压力，使导电基体在降温过程中产生微小的逐渐产生变形，从而消除导电基体中热应力的存在，对提高导电基体的性能有较好的提高。在降温至室温的导电基体表面热喷涂一层亚氧化钛薄膜得所述的导电基体成品，上述的亚氧化钛薄膜可进一步提高导电基体的导电率。上述的亚氧化钛薄膜为连续性的、或为网格状的、或为有间隔的多条状构成的，网格状或间隔条状的薄膜利用已有技术的涂覆工艺就可实现，这有利于铅膏与导电基体的渗入。

为进一步提高上述的导电基体的性能，在上述的步骤b中，在堇青石粉与酚醛树脂混合时，加入粒度为5～20nm的纳米级膨润土颗粒；膨润土的结构是层状结构，且是负电性，加入纳米膨润土一方面在烧结过程可增加导电基体的结构强度，另一方面原有的层状结构在基体内又形成大量的微小的层间孔隙或间隙，对提高电池的能量密度有很大的帮助。在上述的步骤b中，在混合物料混合时，加入金属铝粉和/或超细碳化硅粉；金属铝粉的部分在导电基体的晶体之间或石墨粉之间形成微小的晶格间金属，这对提高导电基体的导电率有帮助，而超细碳化硅粉在高温状态一部分会气化而形成微小的孔隙，一部分与导电基体形成结构部分而提高导电基体的强度。而上述的超细碳化硅粉的构成是含70～80％的粒度为50nm～200nm的碳化硅粉和30～20％的粒度为10μm～50μm的碳化硅粉，上述的纳米级的碳化硅部分气化时生成微小的气孔，而微米级的碳化硅部分气化时生成相对较大的气孔，形成更为合理比例的气孔分布，在上述较大的气孔中会渗入部分铅膏成分，这增加了反应面积和提高了充放电的效率。在上述的步骤c-③时，在对模具施加压力的同时，对模具施加一个振动力，该振动力为持续性或为间隔性的，该振动力的振幅为0.5～1mm，即此时的振幅小于步骤c--②中的振幅，上述的压力和微小的振动可进一步提高导电基体内的孔隙的数量，并有助于液态金属铝在导电基体内的晶格间的扩张，而进一步提高导电基体的导电率、热传递性能和提高能量密度。上述的步骤c-④为高温烧制的导电基体的降温过程，在温度为1300～1350℃的降温过程，同时将步骤c-③过程中对模具施加的压力随着温度的下降解除，即匀速解除施加的压力，在800℃时，施加的压力解除，这一逐渐解除施加压力的过程会减小降温过程中导电基体内积累或形成的热应力，提高导电基体的韧性和减少其基体内形成的微小裂纹。

前述的导电基体表面有一层亚氧化钛导电薄膜是将含亚氧化钛液体喷涂在导电基体表面，干燥后形成亚氧化钛薄膜，上述的亚氧化钛薄膜的构成(按重量百分比计)是：10～15％的聚乙烯醇、0.3～1％的羧甲基纤维素纳、10～12％的亚氧化钛粉和余量为水，各组分混合后搅拌加热至50～80℃得含亚氧化钛液体，干燥后可得到亚氧化钛导电薄膜，该导电薄膜控制在0.1～0.5mm为佳，而上述的导电基体的厚度为0.8～5mm，厚度尺寸的选择视蓄电池的要求而定。

所述的导电基体的一个表面设有多个相互隔开的具有斜壁面的通孔7，导电基体的另一面有至少二条凹槽8；导电基体的一个表面设有多个相互隔开的具有斜壁面的通孔7，基板1的另一面有至少二条凹槽8，上述的多个相互隔开的具有斜壁面的通孔7可按规律或对称结构设置，如图2所示的排列设置，具体在导电基体的一个表面设有多少个通孔7视导电基体的面积大小和通孔7的大小尺寸而设定，在具体蓄电池的结构中，铅膏设置在上述的通孔7中，则铅膏与通孔7的斜壁面的接触面积较通孔7的平面尺寸大幅增加，则提高了反应表面积；上述的凹槽8内设有汇流条4，凹槽8的具体条数视导电基体的尺寸而定，且凹槽8的断面形状与汇流条4的形状相适应即可，上述的凹槽8的断面形状为椎台形，其主要作用是容纳汇流条4和部分铅膏。

上述的导电基体为平板状，或为弯曲状，或为弯折状；上述的导电基体为平板状，或是导电基体为具有一定厚度的矩形，可适应现有的立方体的铅酸电池的基本结构，避免对已有技术部分作较大的改动；上述的导电基体还可设计为弯曲状，如半圆状、椭圆状，这可使蓄电池的整体结构为园柱状，或导电基体设计为弯折状，则蓄电池的整体结构为异型结构，这样可大大拓展蓄电池在特定条件下的使用范围，且由于导电基体由陶瓷石墨材料制备，只需按特定形状要求压制出坯材后经高温烧结即可，从制备上看，只需改变压制的模具即可。

上述的通孔7为多边形的椎形孔或为圆台形通孔，通孔7的斜壁面设有凹部，该凹部为环状凹槽或为多个浅盲孔；上述的导电基体的通孔7为多边形的椎形孔、或为圆台形的通孔，前者具有多个平面状的侧壁，后者具有曲面的侧壁，两者均增加了导电基体与附着在其上的铅膏的附着面积而增加了反应面积，并且斜向侧壁也增加了铅膏的脱落阻力；为进一步提高上述的技术性能和效果，在上述的通孔7的斜壁面设有凹部(图中未示出)，该凹部进一步增加了铅膏与斜壁面的接触面积，同时进入上述凹部的铅膏无法与导电基体分离而进一步提高了铅膏的脱落阻力；上述的凹部在具体制备时为环状凹槽或为多个浅盲孔，上述的环状凹槽可以设置多条，具体视斜壁面的尺寸而选定，上述的环状凹槽或多个浅盲孔可以在压制导电基体坯料时同时成型。

在实际的蓄电池使用时，将两块上述的导电基体具有凹槽8的一面相对构成正极或负极，相对的凹槽8则构成一个多边形的孔，其内设置汇流条4，将多根汇流排联条4的一端连接后与蓄电池的壳外端子连接。

本发明公开的铅基蓄电池大幅减少了金属铅的使用量，减少幅度为50～60％，减少了铅金属的污染，重量也大幅减少，所述的导电基体具有良好的导电性和传热性，导电基体内的合理比例的微小孔隙和较大尺寸的孔隙，十分有利于石墨粉在导电基体内的分布和铅膏对导电基体的渗入，提高了铅基蓄电池的电性能和质量比能量，还提高充放电的效率。

Claims (10)

1.一种高效环保的铅基蓄电池，包括外壳(1)，外壳(1)内设有正极(2)和负极(3)以及正负极之间的隔离件，还设有电解液，其特征在于导电基体表面有一层亚氧化钛导电薄膜而构成极板，两片极板相对一体设置而构成正极(2)或负极(3)，上述的两片极板夹持的多根汇流条(4)经连接件(5)与外壳(1)上设置的端子(6)连接，上述的导电基体由堇青石粉、酚醛树脂和石墨粉经高温烧结制成。

2.按权利要求1所述的高效环保的铅基蓄电池，其特征在于所述的导电基体的制备步骤如下(组分按重量百分比计)：

a.35～50％的堇青石粉(粒度为5～15μm)与5～10％的酚醛树脂混合，捏压混合后静置4～5小时；

b.40～50％的石墨粉与步骤a的混合物混合后，置于模具中压制，将模具置于加热炉中加热至70～80℃，保温1～2小时，以进一步塑化模具中的混合物料和初步干燥；

c.将步骤b中的带有混合物料的模具置于高温炉中加热，加热过程如下：

①加热至200～220℃，保温10～30分钟；

②加热至800～850℃，升温速率为100℃/h，同时对模具施加一个振动和压力；

③加热至1300～1350℃，升温速率为150℃/h，保温1～2小时，保持压力；

④降温过程为：1300～1350℃降至800℃，对模具减压，然后自然降温至常温，卸去模具得导电基体；

d.在降温至室温的导电基体表面热喷涂一层亚氧化钛薄膜得所述的导电基体成品。

3.按权利要求2所述的高效环保的铅基蓄电池，其特征在于所述的步骤b中，在混合物料混合时，加入金属铝粉和/或超细碳化硅粉。

4.按权利要求3所述的高效环保的铅基蓄电池，其特征在于所述的超细碳化硅粉的构成是含70～80％的粒度为50nm～200nm的碳化硅粉和30～20％的粒度为10μm～50μm的碳化硅粉。

5.按权利要求4所述的高效环保的铅基蓄电池，其特征在于所述的步骤c-③时，在对模具施加压力的同时，对模具施加一个振动力，振动力的振幅为0.5～1mm。

6.按权利要求5所述的高效环保的铅基蓄电池，其特征在于在步骤c-④过程中，减压过程是压力随着温度的下降，匀速解除施加的压力，在800℃时，施加的压力解除。

7.按权利要求6所述的高效环保的铅基蓄电池，其特征在于所述的亚氧化钛薄膜的构成(按重量百分比计)是：10～15％的聚乙烯醇、0.3～1％的羧甲基纤维素纳、10～12％的亚氧化钛粉和余量为水，各组分混合后搅拌加热至50～80℃得含亚氧化钛液体。

8.按权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的高效环保的铅基蓄电池，其特征在于所述的导电基体的一个表面设有多个相互隔开的具有斜壁面的通孔(7)，导电基体的另一面有至少二条凹槽(8)。

9.按权利要求8所述的高效环保的铅基蓄电池，其特征在于所述的导电基体为平板状，或为弯曲状，或为弯折状。

10.按权利要求9所述的高效环保的铅基蓄电池，其特征在于所述的通孔(7)为多边形的椎形孔或为圆台形通孔，通孔(7)的斜壁面设有凹部，该凹部为环状凹槽或为多个浅盲孔。