CN108682866A - 新型铅钙锡铝合金、包含其的正极板板栅和铅酸蓄电池 - Google Patents

新型铅钙锡铝合金、包含其的正极板板栅和铅酸蓄电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铅钙锡铝钼合金，该合金按重量百分比计，包含0.04%‑0.06%的钼、0.08%‑0.09%的钙、1%‑1.4%的锡、0.01%‑0.02%的铝，余量为铅。本发明还涉及包含该合金的铅酸蓄电池正极板板栅、制备该合金的方法和制备该正极板板栅的方法以及包含该正极板板栅的铅酸蓄电池。本发明将钼元素添加到普通的铅钙锡铝合金中，使得合金具有高强度、高热稳定性和良好的加工性能，尤其能够提高用该合金制作的正极板板栅在低pH环境下的抗腐蚀性能，并且极大地提高采用该正极板板栅的铅酸蓄电池的循环使用寿命。

Description

新型铅钙锡铝合金、包含其的正极板板栅和铅酸蓄电池
技术领域
本发明涉及铅酸蓄电池领域，尤其涉及一种新型的铅钙锡铝合金，以及包含该合金的正极板板栅和包含该正极板板栅的铅酸蓄电池。
背景技术
铅酸蓄电池主要由极板、隔板、电解液和外壳组成。极板是蓄电池的核心部件之一，是由铅膏涂在板栅上经过压实淋酸固化而成，分别制成正极板、负极板。蓄电池的充放电就是依靠极板上的活性物质与电解液中的硫酸化学反应来实现的。因此，板栅是铅酸蓄电池主要组成部件，俗称格子体。板栅是由铅基合金通过浇铸或拉网而形成的，在铅酸蓄电池中的作用有三个方面：一是作为活性物质的载体，起着骨架的支撑和粘附活性物质的作用；二是作为电流的传导体，起着集流、汇流和输流的作用；三是作为极板的均流体，起着使电流均匀分布到活性物质中的作用。
目前应用最广泛的板栅铅基合金是铅钙锡铝合金。研究发现这种合金的具有优异的免维护性能，这也使得铅钙锡铝合金成为四元基础合金。但该合金制成的正极板板栅循环寿命较差，在充电过程中会被氧化成硫酸铅和二氧化铅发生钝化，导致板栅合金腐蚀变形，对铅酸蓄电池带来一定的损害。
因此，本领域对于新的板栅合金仍存在需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种添加了钼元素的新型铅钙锡铝合金。该合金具有高强度、高热稳定性和良好的加工性能，尤其能够提高用该合金制作的正极板板栅在低pH环境下的抗腐蚀性能，以及延长采用该正极板板栅的铅酸蓄电池的循环使用寿命。
因此，在第一方面，本发明提供一种铅钙锡铝钼合金，该合金按重量百分比计，包含0.04％-0.06％的钼、0.08％-0.09％的钙、1％-1.4％的锡、0.01％-0.02％的铝，余量为铅。
优选地，该合金按重量百分比计，包含0.05％的钼。
在第二方面，本发明提供一种铅酸蓄电池正极板板栅，该正极板板栅包含铅钙锡铝钼合金，该合金按重量百分比计，包含0.04％-0.06％的钼、0.08％-0.09％的钙、1％-1.4％的锡、0.01％-0.02％的铝，余量为铅。
优选地，该合金按重量百分比计，包含0.05％的钼。
在第三方面，本发明提供一种制备铅钙锡铝钼合金的方法，该方法包括以下步骤：
(1)选择铅、钙、锡、铝以及钼金属作为原料，按以下重量百分比混合备料：0.04％-0.06％的钼、0.08％-0.09％的钙、1％-1.4％的锡、0.01％-0.02％的铝，余量为铅；
(2)将混合备料放入惰性气体保护的熔铅锅中，在温度2620℃-2720℃熔融下保持10-15分钟，降温至240℃-330℃并保持40-50分钟。
其中，降温至240℃-330℃并保持40-50分钟是为了进行均匀化处理，形成组织均匀的合金。任选地，然后自然降温至室温。
优选地，在步骤(1)中，该铅、钙、锡、铝以及钼金属的纯度为至少99.99％；更优选地，纯度为至少99.995％。
优选地，在步骤(1)中，该按重量百分比计，按以下重量百分比混合备料：0.05％的钼、0.08％-0.09％的钙、1％-1.4％的锡、0.01％-0.02％的铝，余量为铅。
优选地，在步骤(2)中，该惰性气体为氩气。
在第四方面，本发明提供一种制备铅酸蓄电池正极板板栅的方法，该方法包括以下步骤：
(1)选择铅、钙、锡、铝以及钼金属作为原料，按以下重量百分比混合备料：0.04％-0.06％的钼、0.08％-0.09％的钙、1％-1.4％的锡、0.01％-0.02％的铝，余量为铅；
(2)将混合备料放入惰性气体保护的熔铅锅中，在温度2620℃-2640℃熔融下保持10分钟，降温至240℃-330℃并保持40-50分钟；
(3)将熔融的合金料液引入到板栅模具中浇筑成正板栅，在40-45℃下放置40-48小时，铸成铅钙锡铝钼正极板板栅。
其中，在步骤(2)中，降温至240℃-330℃并保持40-50分钟是为了进行均匀化处理，形成组织均匀的合金。任选地，然后自然降温至室温。在步骤(3)中，在40-45℃下放置40-48小时是进行时效处理，以达到较好的机械综合性能。
优选地，在步骤(1)中，该铅、钙、锡、铝以及钼金属的纯度为至少99.99％；更优选地，纯度为至少99.995％。
优选地，在步骤(1)中，按以下重量百分比混合备料：0.05％的钼、0.08％-0.09％的钙、1％-1.4％的锡、0.01％-0.02％的铝，余量为铅。
优选地，在步骤(2)中，该惰性气体为氩气。
在第五方面，本发明提供一种铅酸蓄电池，该铅酸蓄电池包括正极板、负极板、隔板、电解液和外壳，该正极板包括正极板板栅，其中该正极板板栅包含铅钙锡铝钼合金，该合金按重量百分比计，包含0.04％-0.06％的钼、0.08％-0.09％的钙、1％-1.4％的锡、0.01％-0.02％的铝，余量为铅。
优选地，该合金按重量百分比计，包含0.05％的钼。
应指出的是，本发明的新型正极板板栅合金作为铅基合金，包含少量的钼、钙、锡和铝，余量为铅，但不排除包含痕量的不可避免的杂质。
本发明的有益效果为：
本发明的新型正极板板栅合金，以铅钙锡铝为基体合金，添加钼元素。经过恒电恒压腐蚀性测试可以得出，用该合金制作的正极板板栅在低pH环境下的抗腐蚀性能得到明显提高，并且经过电池循环寿命测试可以得出，采用该正极板板栅的铅酸蓄电池的循环使用寿命极大地延长。
因为，钼元素可以起到晶粒细化的作用，从而提高正板栅在低pH环境下的抗腐蚀性，而蓄电池经典失效模式之一为不可避免的正板栅腐蚀，从而提高正板栅的耐腐蚀能力可以延长电池的循环使用寿命。钼元素的量低于0.04％和高于0.06％，无法起到细化晶粒的作用，因而对提高板栅的抗腐蚀性提升不大。
具体实施方式
以下通过实施例的方式对本发明进行进一步的详细描述。应当理解，这些描述仅出于说明本发明的目的，并不意在以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例制备铅/0.09％钙/1.4％锡/0.02％的铝/0.04％钼合金(重量百分比)，并制备含有该合金的正极板板栅。
选择纯度达99.99％的铅、钙、锡、铝以及钼金属作为原料。称取0.09克纯钙、1.4克纯锡、0.02克纯铝、0.04克纯钼，并称取98.45克纯铅。将称取的各纯金属原料混合，放入容积为0.45m3的熔铅锅中，并通入惰性气体，在熔铅锅中产生惰性气氛。通过电加热方式，将熔铅锅加热到2720℃，将各纯金属原料熔融10分钟。然后，通过通入循环水方式降温至240℃并保持50分钟，让所得金属液自然冷却，即制得100克的钙锡铝钼合金，其中含有0.09％的钙、1.4％的锡、0.02％的铝和0.04％的钼(重量百分比)，余量为铅。
为制备正极板板栅，将降温至240℃并保持50分钟的熔融合金料液引入到板栅模具中浇铸成正板栅，然后在40℃条件下放置48h，即铸成含该铅钙锡铝钼合金的正极板板栅。
实施例2
本实施例制备铅/0.085％钙/1.2％锡/0.015％的铝/0.05％钼合金(重量百分比)，并制备含有该合金的正极板板栅。
选择纯度达99.99％的铅、钙、锡、铝以及钼金属作为原料。称取0.085克纯钙、1.2克纯锡、0.015克纯铝、0.05克纯钼，并称取98.65克纯铅。将称取的各纯金属原料混合，放入容积为0.45m3的熔铅锅中，并通入惰性气体，在熔铅锅中产生惰性气氛。通过电加热方式，将熔铅锅加热到2670℃，将各纯金属原料熔融12分钟。然后，通过通入循环水方式降温至300℃并保持45分钟，让所得金属液自然冷却，即制得100克的钙锡铝钼合金，其中含有0.085％的钙、1.2％的锡、0.015％的铝和0.05％的钼(重量百分比)，余量为铅。
为制备正极板板栅，将降温至300℃并保持45分钟的熔融合金料液引入到板栅模具中，让其在42℃条件下放置44h，即铸成含该铅钙锡铝钼合金的正极板板栅。
实施例3
本实施例制备铅/0.08％钙/1％锡/0.01％的铝/0.06％钼合金(重量百分比)，并制备含有该合金的正极板板栅。
选择纯度达99.99％的铅、钙、锡、铝以及钼金属作为原料。称取0.08克纯钙、1克纯锡、0.01克纯铝、0.06克纯钼，并称取98.85克纯铅。将称取的各纯金属原料混合，放入容积为0.45m3的熔铅锅中，并通入惰性气体，在熔铅锅中产生惰性气氛。通过电加热方式，将熔铅锅加热到2620℃，将各纯金属原料熔融15分钟。然后，通过通入循环水方式降温至330℃并保持40分钟，让所得金属液自然冷却，即制得100克的钙锡铝钼合金，其中含有0.08％的钙、1％的锡、0.01％的铝和0.06％的钼(重量百分比)，余量为铅。
为制备正极板板栅，将降温至330℃并保持40分钟的熔融合金料液引入到板栅模具中，让其在45℃条件下放置40h，即铸成含该铅钙锡铝钼合金的正极板板栅。
实验例1：腐蚀性测试
本实验例采用实施例1、2和3中制备的铅钙锡铝钼合金正极板板栅，测试其耐腐蚀性。
测试方法如下：在电子天平上称量合金正极板板栅的重量，并记录。然后用测试的合金正极板板栅作为正极，用纯铅作为负极，用1.28g/mL的硫酸溶液作为电解液，用导线连接正负板栅。然后，接上恒流恒压电源，电流密度设置在10mA/cm-2，恒温水浴温度设置在60℃。正负板栅及电解液放置在透明电池壳中，然后整体放入恒温水浴槽中，恒流腐蚀169天。然后，取下合金正极板板栅，用蒸馏水清洗干净，干燥至恒重，再在电子天平上称量恒流恒压处理后的合金正极板板栅的重量。采用普通铅钙锡铝合金(除不加钼元素外，铅钙锡铝含量与新型合金相同)正极板板栅，按相同的方法进行耐腐蚀性测试，作为对照。测试结果如表1所示。
表1恒流恒压腐蚀性测试结果
由表1可见，新型合金板栅与普通合金板栅恒流腐蚀相同天数后，板栅失重相差较明显。经计算，新型合金板栅的腐蚀速度是普通合金板栅的83.6％-84％之间，证明新型板栅较普通板栅有较好的抗腐蚀性能。
实验例2：循环寿命测试
本实验例采用实施例1、2和3中制备的铅钙锡铝钼合金正极板板栅，测试其循环寿命。
测试方法如下：采用实施例1、2和3中制备的铅钙锡铝钼合金正极板板栅和普通铅钙锡铝合金(除不加钼元素外，铅钙锡铝含量与新型合金相同)正极板板栅，并用纯铅作为负极和用1.28g/mL的硫酸溶液作为电解液，分别制作测试铅酸蓄电池3只和对比铅酸蓄电池1只。然后，按GB/T 32620.1-2016进行电池循环寿命测试。测试结果如表2所示。
表2循环寿命测试结果
由表2可见，使用实施例1、2或3的铅钙锡铝钼合金正极板板栅的测试铅酸蓄电池1、2或3的循环寿命都远高于使用普通铅钙锡铝合金正极板板栅的对比铅酸蓄电池。
以上应用了具体实例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种铅钙锡铝钼合金，其特征在于，所述合金按重量百分比计，包含0.04%-0.06%的钼、0.08%-0.09%的钙、1%-1.4%的锡、0.01%-0.02%的铝，余量为铅；优选地，所述合金按重量百分比计，包含0.05%的钼。
2.一种铅酸蓄电池正极板板栅，其特征在于，所述正极板板栅包含铅钙锡铝钼合金，所述合金按重量百分比计，包含0.04%-0.06%的钼、0.08%-0.09%的钙、1%-1.4%的锡、0.01%-0.02%的铝，余量为铅；优选地，所述合金按重量百分比计，包含0.05%的钼。
3.一种制备铅钙锡铝钼合金的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）选择铅、钙、锡、铝以及钼金属作为原料，按以下重量百分比混合备料：0.04%-0.06%的钼、0.08%-0.09%的钙、1%-1.4%的锡、0.01%-0.02%的铝，余量为铅；优选地，按以下重量百分比混合备料：0.05%的钼、0.08%-0.09%的钙、1%-1.4%的锡、0.01%-0.02%的铝，余量为铅；
（2）将混合备料放入惰性气体保护的熔铅锅中，在温度2620℃-2720℃熔融下保持10-15分钟，降温至240℃-330℃并保持40-50分钟。
4.根据权利要求3所述的制备铅钙锡铝钼合金的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述铅、钙、锡、铝以及钼金属的纯度为至少99.99%；更优选地，纯度为至少99.995%。
5.根据权利要求3所述的制备铅钙锡铝钼合金的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述惰性气体为氩气。
6.一种制备铅酸蓄电池正极板板栅的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）选择铅、钙、锡、铝以及钼金属作为原料，按以下重量百分比混合备料：0.04%-0.06%的钼、0.08%-0.09%的钙、1%-1.4%的锡、0.01%-0.02%的铝，余量为铅；优选地，按以下重量百分比混合备料：0.05%的钼、0.08%-0.09%的钙、1%-1.4%的锡、0.01%-0.02%的铝，余量为铅；
（2）将混合备料放入惰性气体保护的熔铅锅中，在温度2620℃-2720℃熔融下保持10-15分钟，降温至240℃-330℃并保持40-50分钟;
（3）将熔融的合金料液引入到板栅模具中，铸成铅钙锡铝钼正极板板栅。
7.根据权利要求6所述的制备铅酸蓄电池正极板板栅的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述铅、钙、锡、铝以及钼金属的纯度为至少99.99%；更优选地，纯度为至少99.995%。
8.根据权利要求6所述的制备铅酸蓄电池正极板板栅的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述惰性气体为氩气。
9.根据权利要求6所述的制备铅酸蓄电池正极板板栅的方法，其特征在于，在步骤（3）中，熔融的合金料液引入到板栅模具中后，在40-45℃下放置40-48小时。
10.一种铅酸蓄电池，包括正极板、负极板、隔板、电解液和外壳，所述正极板包括正极板板栅，其特征在于，所述正极板板栅包含铅钙锡铝钼合金，所述合金按重量百分比计，包含0.04%-0.06%的钼、0.08%-0.09%的钙、1%-1.4%的锡、0.01%-0.02%的铝，余量为铅；优选地，所述合金按重量百分比计，包含0.05%的钼。
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