CN109273716A - 一种长寿命铅蓄电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长寿命铅蓄电池及其制备方法,属于蓄电池技术领域。所述铅蓄电池的制备方法包括:正极板的铅膏分两部分完成,分别制备出含有硫酸亚锡、三氧化二锑和3BS的第一铅膏以及含有4BS的第二铅膏,再进行夹层式的涂膏操作,先在里层涂覆第一铅膏,再在表层涂覆第二铅膏,获得生极板;经中温固化后制得正极板,组装电池后内化成,内化成初始采用较大的电流密度进行充电,制得所述的长寿命铅蓄电池。本发明采用夹层式涂膏,使得生极板的表层具有高含量的4BS,缓解表层硫酸盐化的速度,再结合大电流化成工艺,提高表层的α‑PbO2的含量,在电池循环的过程中极板表层软化的速度减慢,提高电池的循环寿命。

Description

一种长寿命铅蓄电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及蓄电池技术领域,具体涉及一种长寿命铅蓄电池及其制备方法。
背景技术
在铅蓄电池生产过程中,和膏作为电池工序的关键工序,其质量的好坏直接影响电池的性能,特别是电池的寿命及电池初期性能,而电池的初期性能和电池寿命直接关系到铅蓄电池消费者的使用需求。
随着铅蓄电池技术的不断发展,制造铅蓄电池的关键原料铅膏的制备技术也在不断更新。动力电池的寿命是电池铅膏设计的关键因素,而在使用铅钙锡铝合金后,电池的寿命有所缩短,为了增加电池的深循环寿命,一般在正板铅膏中添加Sb2O3或SnSO4,主要目的是克服无锑效应,提高电池的循环寿命。
为了进一步提高电池的寿命,常见的做法是通过合膏时的高温/固化的高温形成一定含量的4BS,从而增强正极活性物质的骨架来提高电池的寿命。但是由于上述两种添加剂的存在,无论采用何种方式,在正极活性物质中很难形成4BS骨架,不能起到进一步提高电池寿命的目的。
专利文献CN 103762358 A公开了一种铅酸蓄电池用正极铅膏及其制备方法,在正极铅膏中添加4BS晶种,同时采用高温和膏工艺(和膏温度保持在70℃以上的时间不低于5min),更加促使4BS发挥晶种作用,生成大量的4BS,提高电池的循环使用寿命。
专利文献CN106910872A公开了一种铅蓄电池正极板的制备方法,将铅膏的制备分两部分完成,第一部分将铅粉与三氧化二锑和硫酸亚锡和制,同时控制不大于50℃的反应温度,获得主要成分为3BS的第一铅膏;第二部分参与铅膏和制的添加剂中不包含三氧化二锑和硫酸亚锡,控制反应温度80-85℃,获得主要成分为4BS的第二铅膏,以克服Sb2O3或SnSO4对4BS形成的影响;最后在相对低温条件下将第一铅膏和第二铅膏混合,获得正极铅膏中既包含能克服无锑效应的硫酸亚锡和三氧化二锑,同时具有3BS和4BS,既提高了电池的寿命,又能保证初期的容量。
现有技术中,铅膏和制完成后均匀涂覆在板栅上,经固化分板后组装电池,添加电解液,化成制得铅蓄电池,极板的表层直接与电解液接触,故表层的硫酸化程度较内层严重;另外,电池化成初期通常采用小电流充放电,电流自板栅传导至铅膏,内层与外层的活性物质转化存在不一致的问题,上述因素均会造成电池在使用过程中,活性物质表层软化,进而影响电池使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长寿命铅蓄电池的制备方法,以解决现有技术中正极板活性物质易软化脱落的问题。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种长寿命铅蓄电池的制备方法,所述铅蓄电池包括正极板,所述正极板的铅膏原料包括:铅粉、添加剂、水和硫酸,所述添加剂包括三氧化二锑、硫酸亚锡和碳纤维,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
(1)除三氧化二锑和硫酸亚锡外,将其余添加剂混合后分成两部分,并在第一部分中添加三氧化二锑和硫酸亚锡,在第二部分中不添加;
(2)将部分铅粉与第一部分添加剂干混后,加水湿混,最后加硫酸搅拌反应,控制反应温度不超过50℃,获得第一铅膏;将剩余铅粉与第二部分添加剂干混后,加水湿混,最后加硫酸搅拌反应,控制反应温度80-85℃,获得第二铅膏;
(3)先将第一铅膏涂覆在板栅上形成极板内层,再将第二铅膏涂覆在极板内层表面,获得生极板;
(4)在不超过55℃条件下固化,获得正极板;
(5)组装电池,加电解液,进行内化成,内化成初始的7-8h采用电流密度7-10mA/cm2进行充电,再以电流密度3-5mA/cm2充电30-40h,内化成结束,制得所述的长寿命铅蓄电池。
以质量百分比计,所述的正极板的铅膏的组分包括:三氧化二锑0.05-0.5%、硫酸亚锡0.05-0.5%、碳纤维0.07%、水12%、硫酸4-6%,其余为铅粉。
步骤(1)和(2)中,将铅膏的制备分两部分进行,第一部分将铅粉与含有三氧化二锑和硫酸亚锡的添加剂和制,同时控制反应温度40-50℃,获得第一铅膏,第一铅膏的主要组成为三碱式硫酸铅晶体相(3BS);第二部分铅膏和制温度控制在80-85℃,获得主要组成为四碱式硫酸铅晶体相(4BS)的第二铅膏,由于添加剂中不包含三氧化二锑和硫酸亚锡,以克服这两种添加剂影响4BS形成的缺陷。
将第一铅膏和第二铅膏分别涂覆在板栅上,获得的正极板铅膏中既含有能克服无锑效应的硫酸亚锡和三氧化二锡,同时含有3BS和4BS,既提高了电池的寿命,又能保证初期的容量。
为了保证铅膏的均匀性以及操作的便利,除三氧化二锑和硫酸亚锡外,第一铅膏和第二铅膏的原料配比相同,且与总的铅膏配比相同,作为优选,第一铅膏和第二铅膏的原料中除三氧化二锑和硫酸亚锡外,铅粉与其余添加剂、水、硫酸混合的比例相同。
第一铅膏和第二铅膏和膏工序中的加酸速度和温度控制是有差别的,具体地,第一铅膏和制工序为:水在2-5min内加入到铅粉混合物中,混合2-3min;硫酸在10-15min内加完,最高温度控制在50℃以下,温度的控制可以通过加酸的速率和和膏机的水冷或风冷系统控制。第二铅膏的和制工序为:水在2-5min内加入到铅粉混合物中,混合2-3min;硫酸在2-5min内加完,使温度达到80-85℃,并在真空和膏机中保持温度10-20分钟,使3BS转化成4BS,并控制4BS的晶粒长度在30μm以内。
作为优选,第二铅膏在真空度为400-700mbar条件下和制,搅拌时间为10-20min。更为优选,真空度为483.7mbar,搅拌时间为10min,在该条件下制备的第二铅膏中4BS的质量百分比含量为50-75%。
所述的硫酸的比重为1.3-1.4。
步骤(3)中,先涂覆第一铅膏形成极板中间层,然后在第一铅膏层的外表面涂覆第二铅膏,形成的生极板的表层内具有高含量的4BS,4BS比3BS产生更强和更长的针状晶体,相互交错,构成了活性物质的骨架,增加极板强度,由于4BS浸酸时与酸的反应速度慢,在化成时减慢极板表面硫酸化进程,使得内层与外层的硫酸化速度差异变小。
作为优选,步骤(3)中,生极板中第一铅膏与第二铅膏的质量比为1:0.4-0.6。
更为优选,生极板中第一铅膏与第二铅膏的质量比为1:0.5。
步骤(4)中,本发明采用不超过55℃的中温固化工艺,避免发生因高温(大于70℃)3BS转化成4BS以及4BS粒径进一步增长,可有效控制极板中3BS和4BS的含量。作为优选,固化温度为50-55℃。
步骤(5)中,利用上述方法制备的正极板,与负极板和隔板组装电池,添加冷却后的电解液,降低加酸后电池的温度,确保加酸后的电池温度不超过35℃,减少温升对电池极板造成的影响。作为优选,所述电解液为温度-10℃-0℃、密度为1.25g/cm3的硫酸溶液。
内化成过程中,电池置于25-40℃的水浴中。
在内化成初期,采用大的化成电流密度,改变正极板活性物质的化成进程,由于碳纤维的导电作用,在高电流密度条件下,化成初期也实现极板表层活性物质的转化,在极板表层形成α-PbO2,α-PbO2结构强度高,是活性物质的骨架。采用上述工艺,正极板表层的活性物质中α-PbO2比例明显提升,提高内层和外层活性物质成分的均匀性,有助于减缓正极板活性物质表层软化。
研究表明,在内化成初期,是α-PbO2形成的关键时期,α-PbO2主要在前期的10h内形成,主要原因为:在化成的初期,铅膏偏碱性的条件下形成,生极板加酸后,在化成的前期,PbO、4BS/3BS容易转化为α-PbO2,一旦硫酸盐化变成硫酸铅,则只形成β-PbO2。本发明提供的夹层极板表层铅膏中4BS含量比里层铅膏高,而4BS硫酸盐化的速度较3BS慢,减缓表层硫酸盐化的速度,创造表层易于形成α-PbO2的碱性条件。同时在极板中添加碳纤维,采用较大的电流密度,电流密度为7-10mA/cm2,在化成初期实现在筋条处转化的同时实现极板表面的转化,提高表层α-PbO2含量,使内外层的α-PbO2含量差距变小。
作为优选,所述的内化成工艺,包括以下步骤:以电流密度8mA/cm2充电420分钟,再以电流密度5mA/cm2充电2208分钟。
本发明的另一个目的是提供一种由上述方法制备得到的长寿命铅蓄电池。该铅蓄电池的正极板为三明治式结构,极板表层具有高含量的4BS,相较于常规正极板,本发明提供的正极板表层活性物质中α-PbO2比例明显提升,有助于减缓正极板软化的速度,进而提高电池的循环寿命。
本发明具备的有益效果:
本发明将铅膏的制备分两部分完成,分别制备出含有硫酸亚锡、三氧化二锑和3BS的第一铅膏以及含有4BS的第二铅膏,再进行夹层式的涂膏操作,先在里层涂覆第一铅膏,再在表层涂覆第二铅膏,使得生极板的表层具有高含量的4BS,改变表层硫酸化速度,使里层和外层的硫酸化速度差异变小;进一步地,采用大电流密度化成,由于碳纤维的导电作用,极板表层形成一定含量的α-PbO2,提高里层和外层的活性物质成分的均匀性。在上述条件下制备的正极板强度显著提高,减缓正极板活性物质软化速度,进而延长电池寿命。
附图说明
图1为实施例1中制得的第一铅膏的SEM图。
图2为实施例1中制得的第二铅膏的SEM图。
具体实施方式
为更好地理解本发明,下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1、第一铅膏的制作
在普通的合膏机中加入100Kg铅粉,加入70g纤维和0.1Kg的Sb2O3和0.1Kg的SnSO4,干混5分钟,加入12Kg的水,加水时间为5分钟,再加入10Kg的比重为1.4的硫酸,控制加酸速度,15min内加完,使铅膏的温度控制在50℃以下,加完酸后搅拌3分钟。形成的产物置于扫描电镜下观察,如图1所示,形成的是以3BS为主的铅膏。
2、第二铅膏的制作
首先将100Kg铅粉加入真空合膏机中,在铅粉中加入70g纤维,干搅拌3分钟后,加水12升,再搅拌3分钟,然后加酸,酸的比重为1.4,加酸量为10kg,调整加酸嘴的角度,加酸的时间控制在5分钟,并设定最高的温度为80℃,设定真空合膏机的真空度在483.8mbar,然后再搅拌的过程中保持10分钟,这样就形成了含量在50%4BS的铅膏,控制时间在10分钟到20分钟之间,避免4BS的晶粒过度长大。形成的产物置于扫描电镜下观察,如图2所示。
3、涂板
用20Ah电池的板栅进行涂板,先将上述第一铅膏进行涂板,作为生极板的里层,再用第二铅膏涂在第一铅膏的两面,这样就制成了中间是以3BS为主的铅膏,表层是以4BS为主的铅膏,这样,在化成时就会使表层的硫酸化的速度减慢。其中第一铅膏与第二铅膏的质量比为1:0.5,即先用第一铅膏(占铅膏总重量的2/3)涂在极板中部(也就是极板的里层),再用第二铅膏(占铅膏总重量的1/3)涂在极板的两面(也就是极板表层)。
4、固化和电池组装
在温度55℃、相对湿度≥85%的条件下固化48h,然后在80℃到90℃条件下,相对湿度控制在30%以下干燥24h。分板,组装6-DZM-20电池。
5、内化成工艺
往电池中加入密度为1.25g/cm3的硫酸溶液,硫酸溶液的温度为-5℃,真空加酸后将电池放置在25℃的水冷槽中,静置1h后,按如下的工艺进行充电。前期化成电流密度8mA/cm2,充电7h,后期5mA/cm2,充电时间36.8h。
利用XRD测试技术,对化成后的正极板表层和里层的活性物质进行分析,结果如表1所示。
表1:化成后极板表层和里层的α-PbO2/β-PbO2比例
项目 实施例1 对照例
表层α/β比例 0.3 0.08
里层α/β比例 0.7 0.7
注:表1中的对照例为全部采用第一铅膏进行涂板,然后按照上述步骤4、5的方法进行固化、分板、组装电池、经内化成后得到的正极板。
由表1可知,本实施例中采用夹层式的涂膏操作,使得生极板的表层具有高含量的4BS,改变表层硫酸化速度,进一步地,采用大电流密度化成,极板表层α-PbO2含量明显提高。
6、电化学性能检测
电池循环的充放电的制度如下:12V20Ah电池恒压14.7V,限流10A充电4小时,以10A电流放电至10.2V,当放电时间达到96分钟时,作为电池寿命终止的条件。结果如表2所示。
对比例1
参照实施例1的方法步骤1-4制备组装6-DZM-20电池,按照下列工艺进行内化成,往电池中加入密度为1.25g/cm3的硫酸溶液,硫酸溶液的温度为-5℃,真空加酸后将电池放置在水冷槽中,静置1h后,按如下的工艺进行充电:化成电流密度5mA/cm2,充电时间48h。
对制得的电池进行电化学性能检测,结果如表2所示。
表2:电池对比测试的实验结果
电池型号 实施例1 对比例1
常温容量 125分钟 128分钟
循环次数 485 298
从上述的结果可以看出,采用夹层极板,可以缓解表层硫酸盐化的速度,使表层保持在碱性条件下的时间增加,初期采用大的电流密度化成,可以使初期在板栅筋条化成的同时,在极板的表面也开始反应,而此时的条件下在表层倾向于形成α-PbO2,促使表层和里层α-PbO2含量差距减少,提高表层的α-PbO2的含量,提高了极板表层的极板强度,在电池循环的过程中极板表层软化的速度减慢,提高电池的循环寿命。

Claims (8)

1.一种长寿命铅蓄电池的制备方法,所述铅蓄电池包括正极板,所述正极板的铅膏原料包括:铅粉、添加剂、水和硫酸,所述添加剂包括三氧化二锑、硫酸亚锡和碳纤维,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
(1)除三氧化二锑和硫酸亚锡外,将其余添加剂混合后分成两部分,并在第一部分中添加三氧化二锑和硫酸亚锡,在第二部分中不添加;
(2)将部分铅粉与第一部分添加剂干混后,加水湿混,最后加硫酸搅拌反应,控制反应温度不超过50℃,获得第一铅膏;将剩余铅粉与第二部分添加剂干混后,加水湿混,最后加硫酸搅拌反应,控制反应温度80-85℃,获得第二铅膏;
(3)先将第一铅膏涂覆在板栅上形成极板内层,再将第二铅膏涂覆在极板内层表面,获得生极板;
(4)在不超过55℃条件下固化,获得正极板;
(5)组装电池,加电解液,进行内化成,内化成初始的7-8h采用电流密度7-10mA/cm2进行充电,再以电流密度3-5mA/cm2充电30-40h,内化成结束,制得所述的长寿命铅蓄电池。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,以质量百分比计,所述的正极板的铅膏的组分包括:三氧化二锑0.05-0.5%、硫酸亚锡0.05-0.5%、碳纤维0.07%、水12%、硫酸4-6%,其余为铅粉。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,第一铅膏和第二铅膏的原料中除三氧化二锑和硫酸亚锡外,铅粉与其余添加剂、水、硫酸混合的比例相同。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,生极板中第一铅膏与第二铅膏的质量比为1:0.4-0.6。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述的电解液的温度为-10℃-0℃。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,内化成过程中,电池置于25-40℃的水浴中。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述的内化成工艺,包括以下步骤:以电流密度8mA/cm2充电420分钟,再以电流密度5mA/cm2充电2208分钟。
8.一种由权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的长寿命铅蓄电池。
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