CN108336360A - 板栅复合纤维 - Google Patents

Abstract

本发明属于蓄电池技术领域，具体公开了一种板栅复合纤维，包括芯材和固定在芯材表面的固定层，所述芯材为碳纤维，所述固定层包括锌合金包敷料和复合材料，所述复合材料包括石墨纤维、聚丙烯和氮化硅。该板栅复合纤维不含铅，具有安全、环保的性能，同时该板栅复合纤维强度高、导电性能好，利用该板栅复合纤维制备得到的板栅具有高强度和高承载能力，能够避免活性物质的脱落。

Description

板栅复合纤维

技术领域

本发明属于蓄电池技术领域，尤其涉及一种板栅复合纤维。

背景技术

科技的发展、人类生活质量的提高，石油资源面临危机、地球生态环境日益恶化，形成了新型二次电池及相关材料领域的科技和产业快速发展的双重社会背景。市场的迫切需求，使新型二次电池应运而生。其中蓄电池具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和回收再生利用率高等优点，是世界上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池。

铅酸蓄电池是蓄电池中最常用的一种，其工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。铅酸蓄电池虽然有众多优点，但是相对镍-金属氢化物电池或锂电池等电池体系来说，所述铅酸蓄电池又具有使用寿命短的缺点。根据多项研究表明，造成铅酸蓄电池寿命短的主要原因为：铅酸蓄电池正极活性物质软化，进而使得活性物质脱落到电解液中，在电池内部形成短路，从而使电池失去容量，造成电池失效。而造成正极活性物质软化、脱落的原因跟板栅的腐蚀变形有很大的关系。

板栅是铅酸蓄电池主要组成部件，约占电池总质量的四分之一，板栅在蓄电池中的作用主要有三点：第一，作为活性物质的载体，活性物质涂覆在板栅上，活性物质靠板栅来保持和支撑；第二，作为电流的传导体起着集流、汇流和输流的作用；第三，作为极板的均流起着使电流均匀分布到活性物质中作用。目前生产上常见的板栅的材料有铅锑合金、低锑或超低锑合金、铅钙等，由这些材料形成的板栅在蓄电池的充电过程中都会被腐蚀成PbO₂，而PbO₂的分子体积大约为铅体积的1.4倍，加之PbO₂薄膜具有一定的孔隙，因此，腐蚀产物的体积比铅合金体积大得多，从而使得正极板栅处于应力状态下，进而逐渐发生蠕变而线性长大，最终丧失支撑活性物质的作用，使得所述活性物质软化、脱落，致使铅酸蓄电池失效，降低了铅酸蓄电池的使用寿命。另外，板栅与金属汇流排中含有大量的铅，在浇铸、化成、焊接阶段容易造成重金属铅污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种板栅复合纤维，使利用该板栅复合纤维制备得到的板栅具有高强度和高承载能力，避免活性物质的脱落。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：板栅复合纤维，包括芯材和固定在芯材表面的固定层，所述芯材为碳纤维，所述固定层包括锌合金包敷料和复合材料，所述复合材料包括石墨纤维、聚丙烯和氮化硅。

本基础方案的有益效果在于：

1、本发明申请的板栅复合纤维不含铅，大大减少了铅酸蓄电池中重金属铅的用量，大大减少了重金属污染，安全、环保。

2、本发明申请中的板栅复合纤维具有双层结构，包括芯材和固定层，固定层中的石墨纤维、氮化硅的强度高，而聚丙烯增强了固定层各组分之间的粘结性，使固定层作为一个整体具有高强度；而碳纤维作为芯材，由于碳纤维的性能，芯材的强度、承载能力也极高，在芯材和固定层的双重作用下，保证板栅具有高强度和高强承载能力，因此，利用该板栅制成极板也具有极好的结构强度和尺寸稳定性。

3、本板栅复合纤维中不含铅合金，因此在蓄电池的充电过程中不会被腐蚀成PbO₂，有效避免板栅逐渐发生蠕变而线性长大。

4、本发明所提供的板栅复合纤维，在电池充放电过程中能够保持其结构强度不变，因此大大提高了板栅的抗蠕变能力，延缓了板栅长大的进程，使板栅表面的活性物质与板栅之间的结合力不会受到破坏，防止了板栅表面活性物质的脱落而导致电池失效，从而大大提高了电池的使用寿命。

5、芯材的碳纤维具有良好的导电性能，而固定层中的石墨纤维和锌合金包敷料共同配合，也能使固定层具有优良的导电性，芯材和固定层保证了板栅具有良好的导电性能，确保板栅能够正常起到集流、汇流和输流的作用。

进一步，所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料85-98份和复合材料2-15份。经过发明人的多次试验发现，将锌合金包敷料和复合材料的参数控制在上述范围内，得到的固定层导电性能好同时强度也高。

进一步，所述复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维18-40份、聚丙烯40-78份和氮化硅5-30份。经过发明人的多次试验发现，将复合材料的参数控制在上述范围内，制备得到的板栅综合性能较好。

进一步，所述复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维36份、聚丙烯60份和氮化硅17份。经过发明人的多次试验发现，添加上述参数的复合材料，制备得到的板栅综合性能较好。

进一步，所述锌合金包敷料包括以下质量份数的原料：铝、镉、锡、锑、镁、铟和稀土共1-6份，锌94-99份。采用上述材料制备得到锌合金包敷料，该锌合金包敷料导电性能好，同时采用铝、镉、锡、锑、铟、稀土等材料，能够抑制在电池使用过程中锌的作用产生氢气，导致电解质泄露或电池中具有氢气而发生安全隐患。

进一步所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料94份和复合材料6份。经过发明人的多次试验发现，94份的锌合金包敷料和6份的复合材料制备得到的固定层导电性能好同时强度也高。

进一步，所述碳纤维强度为2000-2400MPa，弹性模量为200-250Gpa。经过发明人的长期试验发现，采用具有上述参数的碳纤维作为芯材，得到的板栅复合纤维综合性能较好。

进一步，板栅复合纤维的截面为三角形，其中芯材的截面为圆形，固定层的截面为三角形。板栅复合纤维的截面设置为三角形，与截面为圆形或者其他形状的板栅复合纤维相比，将该板栅复合纤维编织成板栅后，板栅复合纤维与板栅复合纤维之间的间隙更多，涂布活性物质时，活性物质能够更多的粘附在板栅上，而且板栅复合纤维与板栅复合纤维之间的间隙均匀分布且为斜面，涂布的活性物质不易脱落。

进一步，所述芯材的直径为0.5-0.8mm，所述固定层的厚度为0.2-0.3mm。控制芯材以及固定层的厚度从而控制了板栅复合纤维的厚度，本发明申请的板栅复合纤维厚度小，使用该板栅复合纤维编织得到的板栅厚度小，降低板栅占电极板的重量，大大提高了活性物质和起承载导电作用蓄电池板栅的质量比。

附图说明

图1是实施例1中用到的挤出包覆机头的结构示意图；

图2是图1中口模的结构示意图；

图3是本发明制备得到的板栅复合纤维的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图1至3中的附图标记包括：机头体10、单螺杆11、锥齿轮12、安装通道13、碳纤维20、固定模30、转动模40、伞齿轮41、螺旋叶片42、板栅复合纤维50、固定层51、上模60、下模61、冷却通道62、定径带63、进料口64、出料口65、流道70。

实施例1

如图1所示，板栅复合纤维，包括芯材和固定在芯材表面的固定层，芯材的直径为0.7mm，所述固定层的厚度为0.3mm。板栅复合纤维的截面为三角形，其中芯材的截面为圆形，固定层的截面为三角形。所述芯材为碳纤维，其中碳纤维的强度为2400MPa，弹性模量为250Gpa。所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料92份和复合材料8份。复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维36份、聚丙烯60份和氮化硅17份；锌合金包敷料包括以下质量份数的原料：铝、镉、锡、锑、镁、铟和稀土共3份，锌97份。

本发明的板栅复合纤维包括芯材和固定层，碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的强度和弹性模量高，比性能高，耐超高温，耐疲劳性好，良好的导电性能，无蠕变，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。用碳纤维作为芯材，使板栅具有高强度和高强承载能力，使利用该板栅制成极板也具有很好的结构强度和尺寸稳定性。板栅复合纤维的外层为固定层，该固定层包括锌合金包敷料和复合材料，复合材料包括石墨纤维、氮化硅和聚丙烯，氮化硅硬度、强度高，抗高温蠕变能力强，氮化硅材料的加入进一步加强了板栅的强度和承载能力；同时，氮化硅还具有润滑性，加入氮化硅，在挤出板栅复合纤维时，不需额外增加润滑剂。但是氮化硅的导电性能差，复合材料中添加过多的氮化硅会影响板栅的导电性。石墨纤维耐热冲击好，耐腐蚀，热膨胀系数小，更为重要的是导电性优良，石墨纤维和锌合金包敷料共同配合，保证了板栅具有良好的导电性能，确保板栅能够正常起到集流、汇流和输流的作用。聚丙烯流动性、粘结性好，在制备板栅复合纤维时，聚丙烯可增强锌合金包敷料、氮化硅和石墨纤维的粘性，使锌合金包敷料、氮化硅和石墨纤维能够较好的聚合在一起而非彼此分离，有助于固定层的形成，同时也使固定层能够更好的固定在芯材表面；而且由于聚丙烯具有良好的流动性，有利于挤出板栅复合纤维。

制备上述板栅复合纤维包括以下步骤：

(1)准备铝、镉、锡、锑、镁、铟、稀土和锌，对上述原料进行混合得到混合料，干燥混合料，干燥时在惰性气体中进行干燥处理，使混合料的含水量低于5％；然后研磨混合料，将混合料的粒径限制在50-100μm；

(2)准备氮化硅、石墨纤维和聚丙烯，将氮化硅、和石墨纤维聚丙烯研磨成20-80μm，得到复合材料；

(3)加热混合料，混合料的温度升高到400-550℃后，加入复合材料继续加热，加热至熔融状态，加热的过程中进行搅拌，得到熔融料；

(4)利用挤出包覆机生产板栅复合纤维，碳纤维通过牵引设备穿过挤出包覆机头的成形模具，而熔融料通过单螺杆挤出到成形模具中，熔融料包覆在碳纤维的表面得到板栅复合纤维。

利用现有的挤出包覆机生产板栅复合纤维时，单螺杆挤出熔融料后，熔融料向前流动包覆在碳纤维的表面，由于本发明制备的板栅复合纤维的截面为三角形，因此相应模具的横截面为三角形，设置为三角形，熔融料流向模具的速度较慢，熔融料在流动的过程中容易发生分层，而且还容易出现滞留的现象，滞留现象会导致包覆在碳纤维外的熔融料均匀性和质量均较差。为了解决这个问题，在本制备方法中使用的挤出包覆机头为经过专门研发生产的，将该挤出包覆机头用于现有挤出包覆机中可有效解决使用现有设备制备板栅复合纤维容易出现包覆质量不佳的问题。

如图1所示，制备板栅复合纤维50时用到的挤出包覆机头包括机头体10和成形模具，机头体10内设有安装通道13、流道70和用于将熔融料挤入流道70内的单螺杆11，安装通道13沿高度方向分布，流道70沿水平方向分布，流道70与安装通道13流通。单螺杆11沿高度方向分布且转动连接在流道70内，单螺杆11的下端固定连接有锥齿轮12；机头体10内还设有电机，电机可通过皮带传动、齿轮传动等方式驱动单螺杆11和单螺杆11上的锥齿轮12转动。成形模具安装在流道70内，成形模具包括固定模30、转动模40和挤出板栅复合纤维50的口模。如图2所示，口模包括上模60和下模61，上模60螺纹连接在机头体10的左端并与流道70连通，上模60设有凸台，下模61开有与凸台螺纹连接的凹槽，下模61内开有依次连通的定径带63和出料口65，定径带63的截面为三角形，表面包覆有熔融料的碳纤维20通过定径带63后，能够形成截面为三角形的板栅复合纤维50。上模60内开有能与定径带63连通的进料口64，出料口65和进料口64的截面形状均有锥度，出料口65端面面积较小的一端与定径带63连接；上模60和下模61连接时进料口64端面面积较小的一端与定径带63连接。下模61内开有环绕定径带63分布的冷却通道62，下模61内还开有与冷却通道62连通的流入口和流出口，通过往流入口中输入冷却水可对定径带63内的物料进行冷却。固定模30固定安装在流道70内，转动模40转动连接在固定模30上，转动模40和固定模30的左端伸入上模60的进料口64中。固定模30内开有用于传输碳纤维20的传送通道，传送通道的大小与碳纤维20匹配，传送通道与定径带63相对，传送通道输送的碳纤维20能通过定径带63。转动模40上固定有与锥齿轮12啮合的伞齿轮41，锥齿轮12转动能够带动伞齿轮41转动，进而驱动转动模40转动。转动模40的表面固定有螺旋叶片42，螺旋叶片42与流道70、进料口64的内壁贴合，螺旋叶片42转动时，能够将流道70内的熔融料推向口模的进料口64中。

使用本挤出包覆机头制备板栅复合纤维50时，将挤出包覆机头安装在挤出包覆机上。使碳纤维20通过传送通道并伸入到定径带63内，启动电机并启动挤出包覆机中的牵引设备，电机带动单螺杆11和单螺杆11上的锥齿轮12转动，锥齿轮12带动伞齿轮41和转动模40转动；牵引设备带动碳纤维20不断向前运动。往安装通道13内加入熔融料，在单螺杆11的作用下，熔融料被挤入到流道70内，流道70中的螺旋叶片42推动熔融料流向口模的进料口64、进入定径带63，熔融料包覆在碳纤维20的表面，在定径带63的作用下，碳纤维20和包覆在碳纤维20表面的熔融料被挤成横截面为三角形的板栅复合纤维50，如图3所示。

使用本挤出包覆机头，在单螺杆11送料的同时，转动模40和转动模40上的螺旋叶片42一同转动，螺旋叶片42能够推动熔融料不断运动，有效避免熔融料在流动的过程出现分层、滞留的现象，同时螺旋叶片42对熔融料还有一个搅拌的作用，使熔融料中的各成分均匀混合，使最后生产得到的产品质量更好。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：芯材的厚度为0.7mm，所述固定层的厚度为0.25mm。碳纤维的强度为2200MPa，弹性模量为230Gpa。所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料94份和复合材料6份。复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维25份、聚丙烯75份和氮化硅25份；锌合金包敷料包括以下质量份数的原料：铝、镉、锡、锑、镁、铟和稀土共4份，锌96份。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：芯材的厚度为0.6mm，所述固定层的厚度为0.3mm。碳纤维的强度为2100MPa，弹性模量为240Gpa。所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料95份和复合材料5份。复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维20份、聚丙烯72份和氮化硅28份；锌合金包敷料包括以下质量份数的原料：铝、镉、锡、锑、镁、铟和稀土共3份，锌97份。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：芯材的厚度为0.6mm，所述固定层的厚度为0.26mm。碳纤维的强度为2300MPa，弹性模量为250Gpa。所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料85份和复合材料15份。复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维26份、聚丙烯65份和氮化硅23份；锌合金包敷料包括以下质量份数的原料：铝、镉、锡、锑、镁、铟和稀土共2份，锌98份。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：芯材的厚度为0.5mm，所述固定层的厚度为0.3mm。碳纤维的强度为2400MPa，弹性模量为245Gpa。所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料93份和复合材料7份。复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维38份、聚丙烯69份和氮化硅10份；锌合金包敷料包括以下质量份数的原料：铝、镉、锡、锑、镁、铟和稀土共1份，锌99份。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于：芯材的厚度为0.65mm，所述固定层的厚度为0.28mm。碳纤维的强度为2100MPa，弹性模量为200Gpa。所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料96份和复合材料4份。复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维33份、聚丙烯77份和氮化硅15份；锌合金包敷料包括以下质量份数的原料：铝、镉、锡、锑、镁、铟和稀土共4份，锌96份。

对比例1

对比例1为现有的Pb-Sb合金板栅。

分别检测采用实施例1-6的板栅复合纤维制得的板栅，以及检测对比例1的板栅，得到表1：

表1

通过观察表1的数据可知，利用本发明的板栅复合纤维制得的板栅，其耐腐蚀性、强度、硬度等各项性能均优于现有的Pb-Sb合金板栅，利用该板栅制成极板具有极好的结构强度和尺寸稳定性。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.板栅复合纤维，其特征在于：包括芯材和固定在芯材表面的固定层，所述芯材为碳纤维，所述固定层包括锌合金包敷料和复合材料，所述复合材料包括石墨纤维、聚丙烯和氮化硅。

2.根据权利要求1所述的板栅复合纤维，其特征在于：所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料85-98份和复合材料2-15份。

3.根据权利要求2所述的板栅复合纤维，其特征在于：所述复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维18-40份、聚丙烯40-78份和氮化硅5-30份。

4.根据权利要求3所述的板栅复合纤维，其特征在于：所述复合材料包括以下质量份数的原料：石墨纤维36份、聚丙烯60份和氮化硅17份。

5.根据权利要求4所述的板栅复合纤维，其特征在于：所述锌合金包敷料包括以下质量份数的原料：铝、镉、锡、锑、镁、铟和稀土共1-6份，锌94-99份。

6.根据权利要求5所述的板栅复合纤维，其特征在于：所述固定层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料94份和复合材料6份。

7.根据权利要求1-6任一项所述的板栅复合纤维，其特征在于：所述碳纤维强度为2000-2400MPa，弹性模量为200-250Gpa。

8.根据权利要求1-6任一项所述的板栅复合纤维，其特征在于：板栅复合纤维的截面为三角形，其中芯材的截面为圆形，固定层的截面为三角形。

9.根据权利要求8所述的板栅复合纤维，其特征在于：所述芯材的直径为0.5-0.8mm，所述固定层的厚度为0.2-0.3mm。