CN108615853A - 一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺。本技术创新了极板集群一体化工艺，颠覆了传统工序，利用流体铅膏连续喷涂工艺，在湿软状态下完成每个极板集群的一次性组合，通过集群整体固化干燥，利用铅膏与隔板的粘结，实现了极板集群多层结构的一体化复合，有效地防止了涂层断裂和铅膏脱落，强化了铅膏与板栅的贴合，并大大地降低了极板和隔板厚度，缩小了极板间距，降低了极板间电阻，成倍地增加了单位空间极板和集流板栅面积，极大地提高了利用本工艺制备的蓄电池能量密度和充放电速度。

Description

一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺

技术领域

本发明属于极板制备技术领域，具体涉及一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺。

背景技术

从铅酸蓄电池、锂离子电池的结构构成中不难发现，他们的结构与电容结构极其相似，都由正负极板和两极间的绝缘层构成，其储电容量与正负极板的面积大小和两极板间距有关，与极板厚度关联不大，极板面积越大、间距越小其储电容量越高。锂电池正负极板和隔膜都非常薄，同样空间所容极板的面积更大，极板间距更小，所以锂离子电池储电容量比较大，能量密度比较高。而现行的铅酸蓄电池正负极板和隔板相比都非常厚，同样空间所容极板的面积小得多，极板间距也大得多，所以铅酸蓄电池储电容量相对小很多，能量密度就比较低。锂离子电池、铅酸蓄电池的充放电速度与电容一样，取决于电荷在两极板之间移动快慢，电容充放电是通过外电路在电压驱动下将电荷均匀分布在两极板上，极板多为金属材料，导电性好，所以电容充放电速度非常快，而蓄电池两极板多用活性物质制造，其导电性明显低于金属材料，所以充放电速度相对较慢。蓄电池极板导电性好坏与极板上涂装的材料活性高低、隔板通透导电离子的能力大小以及电解液导电性能好坏有关，他们都直接影响着蓄电池充放电的快慢，锂电池相比铅酸蓄电池两极涂装材料活性高、两极板导电性好、隔膜薄导电性好、介质导电性好，所以其充放电性能也比铅酸蓄电池好。

由于现行铅酸蓄电池为保证极板强度避免断裂和附着的铅膏脱落，一般要对正负极板进行加厚和活性物质的固化，而极板的加厚相应也要增加介质硫酸注入量，这又导致玻璃纤维隔板隔板也要加厚，隔板的加厚会导致相对极板间距增大，加之两极涂装材料活性差，引起极板材料的导电性不够。这些都是造成铅酸蓄电池能量密度低、充放电慢的原因。找到了原因，就为解决问题奠定了基础，如果能够将其极板和隔板降低厚度并提高材料导电性，改善两极涂装材料活性，铅酸蓄电池的能量密度和充放电速度都会得到大幅度提升，加之铅酸蓄电池原固有的大电流放电性能强、电压特性平稳、温度适用范围广、单体电池容量大、安全性高和原材料丰富且可再生利用、价格低廉等一系列优势，铅酸蓄电池在未来蓄电池竞争中仍然具有不可替代作用。

发明内容

本发明的目的正是为了解决上述问题，而提出一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺，该工艺制备的极板集群大大降低极板和隔板厚度，增加了单位空间内容纳的极板个数，提高了板栅与活性物质铅膏的接触几率，从而提高电池的能量密度和充放电速度。

本发明提供了一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺，具体工艺步骤如下：

1)板栅制备：正极板栅采用纯铅或耐腐蚀合金薄板上均匀开孔后裁剪制成，正极板栅的厚度不大于1mm，负极板栅是用直径不大于0.4mm的铜丝网编织而成或厚度不大于0.8mm的纯铅薄板上均匀开孔后裁减制成；

2)隔板制备：隔板长和宽的尺寸要比步骤1)制备的正极板栅或负极板栅长和宽尺寸长1-3mm，所述隔板均由两侧细丝径AGM隔板与中间粗丝径AGM隔板组合而成或是AGM和PE两类隔板复合而成，所述隔板需进行富氧化处理，使得隔板中空气中含氧量高于90％；

3)流膏配制：正极流膏和负极流膏是在传统铅膏配方基础上同比例增加水、硫酸和胶体用量来稀释制成正极流体铅膏和负极流体铅膏；

4)超薄极板集群：超薄极板集群包括一个夹具和若干个由超薄的负极板栅、第一富氧隔板、正极板栅、第二富氧隔板以及正极流体铅膏和负极流体铅膏复合而成的极板单元组成，对极板单元内的负极板栅、第一富氧隔板、正极板栅、第二富氧隔板进行喷涂相对应的正极流体铅膏或负极流体铅膏，完成喷涂后，压紧夹具，形成湿软状态的一体化超薄极板集群；

5)压滤组装：在夹具的两个夹板外侧用加压装置对步骤4)制备的每个湿软状态的一体化超薄极板集群相向施压，压滤出集群内流膏中多余的电解液，并在不撤销压滤外力的状态下用扎条对夹具进行固定，将一体化超薄极板集群紧装配塞进蓄电池盒体的极板腔中；

6)固化干燥：以装满超薄极板集群的蓄电池盒体为载体，将所制备的湿软状态的一体化超薄极板集群送入固化干燥室，在高温饱和蒸汽中进行固化干燥，得到一体化结构的生超薄极板集群。

7)密封熟化：在步骤6)固化干燥后，安装汇流条、跨桥、接线端子，连接电池内线路，装盖密封，给电池充酸，通电，对一体化超薄生极板集群进行内化成，实现熟化，完成一体化超薄极板集群的制备程序。

作为优选手段，所述步骤4)中夹具包括A夹板和B夹板，流膏具体喷涂过程如下：先对平放的夹具的A夹板的上表面喷涂负极流膏，趁A夹板上负极流膏湿软状态下将负极板栅的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的负极流膏上，在所述负极板栅的上表面喷涂负极流膏，趁刚喷涂的负极流膏湿软将第一富氧隔板的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的负极流膏上，接着在第一富氧隔板的上表面喷涂正极流膏，再趁正极流膏湿软将正极板栅的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的正极流膏上，然后再在所述正极板栅的上表面喷涂正极流膏，趁刚喷涂的正极流膏湿软将第二富氧隔板的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的正极流膏上，在第二富氧隔板的上表面喷涂负极流膏，按照上述步骤连续完成若干极板单元的喷涂叠加，直至完成最后一个极板单元的第二富氧隔板的上表面喷涂负极流膏后，额外再在第二富氧隔板上刚喷涂的负极流膏上覆盖按压粘接一个负极板栅，在负极板栅的上表面喷涂负极流膏，然后将B夹板的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的负极流膏上，形成湿软状态的一体化超薄极板集群。

作为优选手段，所述正极板栅是在纯铅或耐腐蚀合金薄板上均匀开孔制成，正极板栅平均厚度不大于1mm，正极板栅的开孔的小孔面积不大于20mm²，所述正极板栅的开孔面积总和与正极板总面积的比小于1:2；所述负极板栅为铜丝网或在纯铅薄板上均匀开孔制成，其平均厚度不大于0.8mm，负极板栅开孔的小孔面积不大于7mm²，所述负极板栅的开孔面积总和与负极板总面积比小于1:3。

作为进一步地优选手段，所述正极板栅和负极板栅表面均用物理或化学方法进行预处理增加表面粗糙性；所述正极板栅和负极板栅的厚度均是自极耳一侧向另一侧逐渐变薄，厚度差均为0-0.4mm。

作为进一步地优选手段，所述富氧隔板厚度不大于1mm，富氧隔板的厚度整体采用均匀厚度设置或与极板极耳相对应的一侧向另一侧逐渐变厚，厚度差0-0.3mm。

作为进一步地优选手段，所述夹具采用刚性耐酸耐温材料制成，包括A夹板和B夹板，A夹板和B夹板的底端边缘均采用相向内弯形成收紧结构。

本发明有益效果：1、将传统极板由一块块单独制备厚板改为流膏喷涂一次性制备一体化超薄极板集群，可以极大地降低极板和隔板厚度，成倍地增加了单位空间极板面积，大大地提高电池的能量密度。

2、其次采取流膏喷涂和紧装配工艺，通过极板集群一次性制备能够让铅膏更均匀地喷涂和粘结在极板和富氧隔板粗糙表面上，再利用极板集群趁湿软紧装配塞进极板腔中进行整体固化干燥，发挥了铅膏与隔板的粘结优势，强化了铅膏与板栅的贴合，实现了极板集群一次性制备和多层结构一体化复合，有效防止涂层断裂和铅膏脱落，有利于提高蓄电池循环次数和使用寿命。

3、板栅只起导电作用，不再发挥骨梁支撑作用，所以配制合金时不必强调其硬度和强度，结构可由原来的栅格形式改为网状结构，甚至是软态的薄板结构，加之单位空间极板个数有效增加，也使板栅与铅膏接触率大大增加，提高了板栅的集流效果，极板减厚有效缩小了极板间距，降低了极板间电阻，都有利于提升电池充放电速度。

附图说明

图1为本发明提出的极板集群的一种结构层次图。

图2为本发明用扎条对夹具进行固定极板集群的结构示意图。

图3为本发明提出的正极板或负极板的结构示意图。

图4为本发明提出的夹具的结构示意图。

图中：1、夹具；11、A夹板；12、B夹板；2、负极板栅；21-极耳、22-小孔、3、第一富氧隔板；4、正极板栅；5、第二富氧隔板；6、扎条。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明的一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺，具体工艺步骤如下：

1)板栅制备：正极板栅4采用纯铅或耐腐蚀合金薄板上均匀开孔后裁剪制成，正极板栅4的厚度不大于1mm，负极板栅2是用直径不大于0.4mm的铜丝网编织而成或厚度不大于0.8mm的纯铅薄板上均匀开孔后裁减制成；

2)隔板制备：隔板长和宽的尺寸要比步骤1)制备的正极板栅4或负极板栅2长和宽尺寸长1-3mm，所述隔板均由两侧细丝径AGM隔板与中间粗丝径AGM隔板组合而成或是AGM和PE两类隔板复合而成，所述隔板需进行富氧化处理，使得隔板中空气中含氧量高于90％；

3)流膏配制：正极流膏和负极流膏是在传统铅膏配方基础上同比例增加水、硫酸和胶体用量来稀释制成正极流体铅膏和负极流体铅膏；

4)超薄极板集群：超薄极板集群包括一个夹具1和若干个由超薄的负极板栅2、第一富氧隔板3、正极板栅4、第二富氧隔板5以及正极流体铅膏和负极流体铅膏复合而成的极板单元组成，所述步骤4)中夹具1包括A夹板11和B夹板12，流膏具体喷涂过程如下：先对平放的夹具1的A夹板11的上表面喷涂负极流膏，趁A夹板11上负极流膏湿软状态下将负极板栅2的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的负极流膏上，在所述负极板栅2的上表面喷涂负极流膏，趁刚喷涂的负极流膏湿软将第一富氧隔板3的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的负极流膏上，接着在第一富氧隔板3的上表面喷涂正极流膏，再趁正极流膏湿软将正极板栅4的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的正极流膏上，然后再在所述正极板栅4的上表面喷涂正极流膏，趁刚喷涂的正极流膏湿软将第二富氧隔板5的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的正极流膏上，在第二富氧隔板5的上表面喷涂负极流膏，按照上述步骤连续完成若干极板单元的喷涂叠加，直至完成最后一个极板单元的第二富氧隔板5的上表面喷涂负极流膏后，额外再在第二富氧隔板5上刚喷涂的负极流膏上覆盖按压粘接一个负极板栅2，在负极板栅2的上表面喷涂负极流膏，然后将B夹板12的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的负极流膏上，形成湿软状态的一体化超薄极板集群；

5)压滤组装：在夹具1的两个夹板外侧用加压装置对步骤4)制备的每个湿软状态的一体化超薄极板集群相向施压，压滤出集群内流膏中多余的电解液，并在不撤销压滤外力的状态下用扎条6对夹具1进行固定，将一体化超薄极板集群紧装配塞进蓄电池密封，给电池充酸，通电，对一体化超薄生极板集群进行内化成，实现熟化，完成盒体的极板腔中；

6)固化干燥：以装满超薄极板集群的蓄电池盒体为载体，将所制备的湿软状态的一体化超薄极板集群送入固化干燥室，在高温饱和蒸汽中进行固化干燥，得到一体化结构的生超薄极板集群。

7)密封熟化：在步骤6)固化干燥后，安装汇流条、跨桥、接线端子，连接电池内线路，装盖一体化超薄极板集群的制备程序。

所述A夹板11和B夹板12的底端边缘均采用相向内弯形成楔形结构。楔形结构卡合在极板底端。使得A夹板11与B夹板12之间的极板集群能卡在夹具1内，当极耳21向上将极板集群放入到蓄电池盒体内时，极板集群不会轻易从夹具1内脱落。

所述正极板栅4和负极板栅2表面均用物理或化学方法进行表面粗糙性预处理。铅膏嵌入极板和隔板表面粗糙间隙中有利于铅膏粘合。

对正极板栅4、负极板栅2、隔板进行喷涂时，用智能喷涂装置对流体铅膏进行统一稀稠度、同样的喷涂速度、同样的喷涂路径、同样的喷涂时长进行喷涂。

产品1

所述正极板栅是用纯铅上均匀开有小孔制成，正极板栅厚度为1mm，正极板栅开孔的小孔面积为5mm²，所述正极板栅的开孔面积总和与正极板总面积比为1:4；所述负极板栅采用纯铅薄板均匀开有小孔制成，其厚度为0.8mm，负极板栅开孔的小孔面积为2mm²，所述负极板栅的开孔面积总和与负极板栅总面积比为1:5。所述正极板栅和负极板栅表面均用物理方法进行表面粗糙性预处理。隔板由两侧细丝径AGM隔板与中间粗丝径AGM隔板组合而成,所述隔板的厚度整体采用均匀厚度设置。

产品2

所述正极板栅是用合金铅薄板上均匀开有小孔制成，正极板厚度为0.5mm，正极板栅开孔的小孔面积为20mm²，所述正极板栅的开孔面积总和与正极板总面积比为1:3；所述负极板栅采用纯铅薄板均匀开有小孔制成，其厚度小于0.2mm，负极板栅开孔的小孔面积为7mm²，所述负极板栅的开孔面积总和与负极板栅总面积比为1:4。所述正极板栅和负极板栅表面均用化学方法进行表面粗糙性预处理。隔板由AGM和PE两类隔板复合而成,所述隔板的厚度与极板极耳相对应一侧向另一侧逐渐变厚。

产品3

所述正极板栅是用纯铅薄板上均匀开有小孔制成，正极板栅厚度为0.8mm，正极板栅开孔的小孔面积为13mm²，所述正极板栅的开孔面积总和与正极板栅总面积比为1:2；所述负极板栅采用纯铅薄板均匀开有小孔制成，其厚度为0.4mm，负极板栅开孔的小孔面积为5mm²，所述负极板栅的开孔面积总和与负极板栅总面积比为1:3。所述正极板栅和负极板栅表面均用物理方法进行表面粗糙性预处理。隔板由两侧细丝径AGM隔板与中间粗丝径AGM隔板组合而成,所述隔板的与极板极耳相对应一侧向另一侧逐渐变厚。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺，其特征在于：具体工艺步骤如下：

1)板栅制备：正极板栅采用纯铅或耐腐蚀合金薄板上均匀开孔后裁剪制成，正极板栅的厚度不大于1mm，负极板栅是用直径不大于0.4mm的铜丝网编织而成或厚度不大于0.8mm的纯铅薄板上均匀开孔后裁减制成；

2)隔板制备：隔板长和宽的尺寸要比步骤1)制备的正极板栅或负极板栅长和宽尺寸长1-3mm，所述隔板均由两侧细丝径AGM隔板与中间粗丝径AGM隔板组合而成或是AGM和PE两类隔板复合而成，所述隔板需进行富氧化处理，使得隔板中空气中含氧量高于90％；

3)流膏配制：正极流膏和负极流膏是在传统铅膏配方基础上同比例增加水、硫酸和胶体用量来稀释制成正极流体铅膏和负极流体铅膏；

4)超薄极板集群：超薄极板集群包括一个夹具和若干个由超薄的负极板栅、第一富氧隔板、正极板栅、第二富氧隔板以及正极流体铅膏和负极流体铅膏复合而成的极板单元组成，对极板单元内的负极板栅、第一富氧隔板、正极板栅、第二富氧隔板进行喷涂相对应的正极流体铅膏或负极流体铅膏，完成喷涂后，压紧夹具，形成湿软状态的一体化超薄极板集群；

5)压滤组装：在夹具的两个夹板外侧用加压装置对步骤4)制备的每个湿软状态的一体化超薄极板集群相向施压，压滤出集群内流膏中多余的电解液，并在不撤销压滤外力的状态下用扎条对夹具进行固定，将一体化超薄极板集群紧装配塞进蓄电池盒体的极板腔中；

6)固化干燥：以装满超薄极板集群的蓄电池盒体为载体，将所制备的湿软状态的一体化超薄极板集群送入固化干燥室，在高温饱和蒸汽中进行固化干燥，得到一体化结构的生超薄极板集群。

7)密封熟化：在步骤6)固化干燥后，安装汇流条、跨桥、接线端子，连接电池内线路，装盖密封，给电池充酸，通电，对一体化超薄生极板集群进行内化成，实现熟化，完成一体化超薄极板集群的制备程序。

2.根据权利要求1所述的一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺，其特征在于：所述步骤4)中夹具包括A夹板和B夹板，流膏具体喷涂过程如下：先对平放的夹具的A夹板的上表面喷涂负极流膏，趁A夹板上负极流膏湿软状态下将负极板栅的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的负极流膏上，在所述负极板栅的上表面喷涂负极流膏，趁刚喷涂的负极流膏湿软将第一富氧隔板的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的负极流膏上，接着在第一富氧隔板的上表面喷涂正极流膏，再趁正极流膏湿软将正极板栅的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的正极流膏上，然后再在所述正极板栅的上表面喷涂正极流膏，趁刚喷涂的正极流膏湿软将第二富氧隔板的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的正极流膏上，在第二富氧隔板的上表面喷涂负极流膏，按照上述步骤连续完成若干极板单元的喷涂叠加，直至完成最后一个极板单元的第二富氧隔板的上表面喷涂负极流膏后，额外再在第二富氧隔板上刚喷涂的负极流膏上覆盖按压粘接一个负极板栅，在负极板栅的上表面喷涂负极流膏，然后将B夹板的下表面覆盖按压粘接在刚喷涂的负极流膏上，形成湿软状态的一体化超薄极板集群。

3.根据权利要求1所述的一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺，其特征在于：所述正极板栅是在纯铅或耐腐蚀合金薄板上均匀开孔制成，正极板栅平均厚度不大于1mm，正极板栅的开孔的小孔面积不大于20mm²，所述正极板栅的开孔面积总和与正极板总面积的比小于1:2；所述负极板栅为铜丝网或在纯铅薄板上均匀开孔制成，其平均厚度不大于0.8mm，负极板栅开孔的小孔面积不大于7mm²，所述负极板栅的开孔面积总和与负极板总面积比小于1:3。

4.根据权利要求1所述的一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺，其特征在于：所述正极板栅和负极板栅表面均用物理或化学方法进行预处理增加表面粗糙性；所述正极板栅和负极板栅的厚度均是自极耳一侧向另一侧逐渐变薄，厚度差均为0-0.4mm。

5.根据权利要求1所述的一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺，其特征在于：所述富氧隔板厚度不大于1mm，富氧隔板的厚度整体采用均匀厚度设置或与极板极耳相对应的一侧向另一侧逐渐变厚，厚度差0-0.3mm。

6.根据权利要求2所述的一种高能量密度的超薄极板集群一体化复合工艺，其特征在于：所述夹具采用刚性耐酸耐温材料制成，包括A夹板和B夹板，A夹板和B夹板的底端边缘均采用相向内弯形成收紧结构。