CN108336366A - 板栅活性纳米碳纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明属于蓄电池技术领域，具体公开了板栅活性纳米碳纤维，包括纳米碳纤维本体，所述纳米碳纤维本体横截面呈三角形，所述纳米碳纤维本体包括芯材和固定在芯材表面的包覆层，所述芯材为纳米碳纤维，所述包覆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。利用该板栅活性纳米碳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。

Description

板栅活性纳米碳纤维
技术领域
本发明涉及蓄电池技术领域，具体涉及一种板栅活性纳米碳纤维。
背景技术
蓄电池最常用的电池之一，其工作原理是在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。
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，为极板的均流，使电流均匀分布到活性物质中。板栅由极耳、边框及边框内的纵横交错排列的筋条构成。由于其结构的限制，目前的极板活性物质与板栅的结合力不强，使用末期的活性物质容易膨胀脱落，极易造成电池极板短路报废故障的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种板栅活性纳米碳纤维，利用该板栅活性纳米碳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。
为达到上述目的，本发明的基础方案如下：板栅活性纳米碳纤维，包括纳米碳纤维本体，所述纳米碳纤维本体横截面呈三角形，所述纳米碳纤维本体包括芯材和固定在芯材表面的包覆层，所述芯材为纳米碳纤维，所述包覆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。
采用本基础方案：板栅活性纳米碳纤维包括芯材和包覆层，纳米碳纤维具有许多优良性能，纳米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。用纳米碳纤维作为芯材，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。
本基础方案的有益效果在于：
1.本发明申请的板栅活性纳米碳纤维不含铅，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活性纳米碳纤维具有双层结构，包括芯材和包覆层，包覆层中的石墨纤维、氮化硅的强度高，而聚丙烯增强了包覆层各组分之间的粘结性，使包覆层作为一个整体具有高强度；而纳米碳纤维作为芯材，由于纳米碳纤维的性能，芯材的强度、承载能力也极高，在芯材和包覆层的双重作用下，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.本发明所提供的板栅活性纳米碳纤维，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。
4.芯材的碳纤维具有良好的导电性能，而包覆层中的石墨纤维和锌合金包敷料共同配合，也能使包覆层具有优良的导电性，芯材和包覆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。
5.纳米碳纤维本体的截面设置为三角形，与截面为圆形或者其他形状的板栅活性纳米碳纤维相比，将该板栅活性纳米碳纤维编织成板栅后，板栅活性纳米碳纤维与板栅活性纳米碳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，而且板栅活性纳米碳纤维与板栅活性纳米碳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，所述包覆层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料85-95份和复合材料5-15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，得到的包覆层导电性能好同时强度也高。
进一步，所述纳米碳纤维包括如下质量份数的原料：碳纤维25-35份、石墨纤维20-30份、碳纳米管20-30份、玻璃纤维10-15份、聚四氟乙烯20-30份、氮化硅35-50份。本方案中添加了氮化硅，其导电性能好，再加上纳米碳管，活性物质分散性好，表面积大。而添加了碳纤维和玻璃纤维，使纳米碳纤维材料进一步强化，增强导电性能，提高复合材料的机械性能和很抗冲击能力，使其发生断裂的可能性降低。
进一步，所述纳米碳纤维包括如下质量份数的原料：碳纤维30份、石墨纤维25份、碳纳米管25份、玻璃纤维13份、聚四氟乙烯25份、氮化硅40份。经过发明人的多次试验发现，将上述原料的参数控制在上述范围内，得到的板栅活性纳米碳纤维综合性能更好。
进一步，纳米碳纤维强度为2200-2500MPa，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纳米碳纤维作为芯材，得到的板栅活性纳米碳纤维综合性能较好。
进一步，所述芯材的直径为0.5-0.8mm，所述包覆层的厚度为0.2-0.3mm。控制芯材以及包覆层的厚度从而控制了板栅活性纳米碳纤维的厚度，本发明申请的板栅活性纳米碳纤维厚度小，使用该板栅活性纳米碳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。
进一步，所述纳米碳纤维本体侧壁设有多个凸块和与凸块配合的凹槽。在用该纳米碳纤维本体制成板栅时，可以将凸块与凹槽配合，在制作板栅时操作更为简单方便。
附图说明
图1是本发明板栅活性纳米碳纤维的结构示意图；
图2是本发明挤出包覆机头实施例的结构示意图；
图3是传动机构的示意图。
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：
说明书附图中的附图标记包括：机头体1、螺旋叶片2、模具3、冷却通道4、出口5、通道6、齿圈7、电机8、第二磁性件9、第一磁性件10、活塞12、齿轮13、中心轮14、导座15、推杆16、导杆17、通槽18、行星齿轮19、凸起20、连杆21、包覆层22、芯材23、进料口24、凸块25、凹槽26。
如图1所示，板栅活性纳米碳纤维，包括纳米碳纤维本体，纳米碳纤维本体横截面呈三角形，纳米碳纤维本体包括芯材23和固定在芯材23表面的包覆层22，芯材23为纳米碳纤维，包覆层22包括锌合金包敷料和复合材料，复合材料包括石墨纤维、聚丙烯和氮化硅。纳米碳纤维本体侧壁设有多个凸块25和与凸块25配合的凹槽26。在用该纳米碳纤维本体制成板栅时，可以将凸块25与凹槽26配合，在制作板栅时操作更为简单方便。
制备上述板栅活性纳米碳纤维包括以下步骤：
(1)材料准备：准备碳纤维30份、石墨纤维25份、碳纳米管25份、玻璃纤维13份、聚四氟乙烯25份、氮化硅40份，原料混合，搅拌均匀，制成膏浆
(2)将步骤(1)中的膏浆通过挤出机挤出形成纳米碳纤维并冷却成型；
(3)准备氮化硅20份、石墨纤维30份和聚丙烯50份，将氮化硅、和石墨纤维聚丙烯研磨成20-80μm，得到复合材料
(4)加热锌合金包覆料，锌合金包覆料的温度升高到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；
(5)将步骤(1)中的纳米碳纤维通过牵引设备穿过挤出包覆机头的成形模具3，而熔融料通过单螺杆挤出到成形模具3中，熔融料包覆在碳纤维的表面得到板栅活性纳米碳纤维。
如图2-图3所示，制备板栅活性纳米碳纤维时用板栅活性纳米碳纤维制备用挤出包覆机头，该挤出包覆机头包括机头体1、下料仓、电机8、中心轮14和模具3，机头体1出料端与模具3连通，模具3开有出口5，板栅活性纳米碳纤维截面设置为三角形。模具3内还开有冷却通道4。机头体1内设有通道6，下料仓下部设有出料口，出料口与通道6连通。在出料仓侧部设有进料口24。在下料仓内滑动连接有活塞12，活塞12连接有第一磁性件10。在通道6内转动连接有转动模，在转动模周向设有螺旋叶片2。电机8输出轴连接传动机构，传动机构包括转轴、齿圈7、连杆21、导杆17和滑座15。在转轴上设有齿轮13，齿轮13与齿圈7啮合，齿圈7套设在转动膜上且与转动膜固定连接。中心轮固定，电机8输出轴与连杆21一端连接，连杆21另一端连接有行星齿轮19，行星齿轮19与中心轮14啮合。在行星齿轮19偏心处设有凸起20，导杆17设有通槽18。凸起20位于通槽18内且与通槽18滑动配合。导杆17与推杆16一端固定连接且推杆16与滑座15滑动配合。推杆16另一端连接有第二磁性件9，第二磁性件9与第一磁性件10磁性配合。
使用本挤出包覆机头制备板栅活性纳米碳纤维时，将挤出包覆机头安装在挤出包覆机上。使碳纤维通过转动模。启动挤出包覆机中的牵引设备的同时启动电机8，因为电机8输出轴连接有转轴，而转轴与齿轮13连接，所以电机8转动会通过转轴带动齿轮13转动。而齿轮13与齿圈7啮合，而齿圈7与转动膜固定连接，所以齿圈7在转动时会带动转动膜转动。而转轴与连杆21一端连接，而连杆21一端与行星齿轮19连接，所以转轴转动时会带动行星齿轮19绕中心轮14转动。行星齿轮19在绕中心轮14转动的同时会绕其中心轴转动，即凸起20也会绕行星齿轮19的中心轴转动。因为凸起20位于通槽18内且与通槽18滑动连接，而导杆17与推杆16固定连接且推杆16与滑座滑动配合，所以行星齿轮19在转动时，在凸起20和滑座的配合下，推杆16会沿滑座上下往复滑动。当推杆16向下滑动时，带动第二磁性件9向下滑动，因为第二磁性件9与第一磁性件10磁性配合，所以第一磁性件10会向下滑动，推动活塞12向下滑动，将下料仓内的呈熔融状的包覆层22挤出到通道6内，再经螺旋叶片2挤出到模具3内，碳纤维和包覆在碳纤维表面的熔融料被挤成横截面为三角形的板栅活性纳米碳纤维，从出口5出料，冷却通道内通有冷却水，可以起到冷却作用。使用本挤出包覆机头，电机在带动转动模和转动模上的螺旋叶片2一同转动的同时驱动推杆运动，通过第一磁性件和第二磁性件将熔融料挤出，实现外层和内层的同步出料。在推杆向上运动的时，熔融料可从进料口进入。螺旋叶片2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2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
本实施与实施例1的区别在于，纳米碳纤维包括如下质量份数的原料：碳纤维25份、石墨纤维20份、碳纳米管20份、玻璃纤维10份、聚四氟乙烯20份、氮化硅35份。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，纳米碳纤维包括如下质量份数的原料：碳纤维35份、石墨纤维30份、碳纳米管30份、玻璃纤维15份、聚四氟乙烯30份、氮化硅50份。
分别检测采用实施例1-3的板栅活性纳米碳纤维制得的板栅，以及检测现有的板栅，得到表1：
表1
通过观察表1的数据可知，利用本发明的板栅活性纳米碳纤维制得的板栅，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 (7)

1.板栅活性纳米碳纤维，其特征在于：包括纳米碳纤维本体，所述纳米碳纤维本体横截面呈三角形，所述纳米碳纤维本体包括芯材和固定在芯材表面的包覆层，所述芯材为纳米碳纤维，所述包覆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所述的板栅活性纳米碳纤维，其特征在于：所述包覆层包括以下质量份数的原料：锌合金包敷料85-95份和复合材料5-15份。
3.根据权利要求2所述的板栅活性纳米碳纤维，其特征在于：所述纳米碳纤维包括如下质量份数的原料：碳纤维25-35份、石墨纤维20-30份、碳纳米管20-30份、玻璃纤维10-15份、聚四氟乙烯20-30份、氮化硅35-50份。
4.根据权利要求3所述的板栅活性纳米碳纤维，其特征在于：所述纳米碳纤维包括如下质量份数的原料：碳纤维30份、石墨纤维25份、碳纳米管25份、玻璃纤维13份、聚四氟乙烯25份、氮化硅40份。
5.根据权利要求4所述的板栅活性纳米碳纤维，其特征在于：纳米碳纤维强度为2200-2500MPa，弹性模量为200-250Gpa。
6.根据权利要求5所述的板栅活性纳米碳纤维，其特征在于：所述芯材的直径为0.5-0.8mm，所述包覆层的厚度为0.2-0.3mm。
7.根据权利要求6所述的板栅活性纳米碳纤维，其特征在于：所述纳米碳纤维本体侧壁设有多个凸块和与凸块配合的凹槽。
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