CN109841790B - 一种集流体在铅炭电池或铅酸电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集流体在铅炭电池或铅酸电池中的应用，可显著地增加电极板栅表面的粗糙度，有利于减小活性物质与板栅的接触电阻，提高活性物质担量，提升电池的功率密度与能量密度和电池的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种集流体在铅炭电池或铅酸电池中的应用
背景技术
铅炭电池是一种电容型铅酸电池，是从传统的铅酸电池演进出来的技术，它是在铅酸电池的负极中加入了活性碳，能够显著提高铅酸电池的寿命。铅炭电池的结构主要包括内混型铅炭电池与内并型铅炭电池，内混型铅炭电池是将活性炭混合在铅膏中发挥其导电性与电容性，内并型铅炭电池是在铅酸电池负极并联活性碳负极板，利用活性碳的电容性抵抗大电流充放电的冲击，进而提升电池寿命。现有的铅酸电池集流体主要由铅合金组成，传统铅酸电池在化成过程后，铅膏可以与集流体紧密的结合，天然的避免了接触电阻过大的问题。一旦在铅膏中添加活性碳，或仅使用活性碳作为活性物质涂敷于集流体表面时，活性碳与传统铅酸电池的集流体就会产生较大的接触电阻，接触电阻过大会阻碍活性碳发挥其电容性能，甚至加剧电池硫酸盐化进程，缩短电池寿命。因此能否研制出表面粗糙度较高，利于铅碳电池碳负极使用的新型板栅成为了科学界的一个挑战。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明设计一种微观三维结构的集流体，具有优良的导电性。
为达到上述目的，采用的具体技术方案如下：
一种集流体在铅炭电池或铅酸电池中的应用，集流体通过如下过程制备而成，
1)将金属铅的平板或板栅通过除油去杂清洗干净；
2)电源正极和负极分别连接步骤1)处理后的平板或板栅，在电流密度1-20A/dm3的条件下进行阳极氧化，电解液为密度为1.01g/ml-1.8g/ml的硫酸水溶液，阳极氧化时间为1分钟-5小时；
3)取出连接正极的平板或板栅，在温度10-100℃的糖碱水溶液中浸泡5分钟-1小时，后取出清洗、干燥；其中糖碱水溶液为氢氧化钠和葡萄糖的水溶液，氢氧化钠在水溶液中的质量百分数为0.1-10％，葡萄糖在水溶液中的质量百分数为0.01-1％；
4)将电极浆料涂敷于步骤3)的平板或板栅上下表面，电极活性物质担载量为0.1g/cm2-10g/cm2。
当应用于铅炭电池时，步骤4)的电极浆料为活性炭、导电碳和粘结剂的混合物，三者的质量比为85-50：45-5：10-5。
当应用于铅酸电池时，步骤4)的电极浆料为正极电极浆料为氧化铅和硫酸铅的混合铅膏，其中正极铅膏氧化铅与硫酸铅的质量比为95-70:30-5，负极电极浆料为海绵铅和硫酸铅的混合铅膏，负极铅膏中海绵铅与硫酸铅质量比为90-70:30-10。
除油去杂清洗干净具体过程为：将金属铅的平板或板栅浸泡于质量深度不低于5％稀硝酸溶液中5分钟-2小时；将浸泡后用去水清洗干净。
发明技术方案带来的有益效果
显著地增加了电极板栅表面的粗糙度，有利于减小活性物质与板栅的接触电阻，提高活性物质担量，提升电池的功率密度与能量密度和电池的寿命。
附图说明
图1:阳极氧化处理前板栅微观形貌。
图2：阳极氧化20分钟后板栅微观形貌。
图3：阳极氧化20分钟后板栅组装内并型小电池寿命测试结果。
图4：普通铅酸电池寿命测试结果。
图5:阳极氧化1小时后板栅微观形貌。
图6：阳极氧化1小时后板栅组装内并型小电池寿命测试结果。
图7：阳极氧化硫酸电解液密度提升至1.34g/ml后板栅组装内并型小电池
寿命测试结果。
图8：将阳极氧化后的板栅直接用于铅酸电池替换传统板栅寿命测试结果。
具体实施例
实施例1
操作时，将需要处理的铅碳电池板栅裁剪为7.2cm X 5.0cm大小并浸泡于5％稀硝酸溶液中20分钟，阳极氧化处理前的板栅微观形貌如图1。将浸泡好的板栅用去离子水清洗干净并连接电源正极，普通铅板处理干净后连接电源负极。在电流密度为3A/dm3的条件下进行阳极氧化，电解液为密度为1.245g/ml的硫酸水溶液，阳极氧化时间为20分钟。反应结束后取出阳极板栅，在热的糖碱水中浸泡5分钟。最后使用去离子水冲洗干净表面即可得到具有微观三维结构的铅电池碳电极板栅，该板栅的表面微观形貌如图2。氧化过程中刻蚀掉的氧化铅质量占刻蚀前铅板的质量百分数为0.16％。将1.7g活性炭，0.2g乙炔黑，0.1gPTFE粉末混合，涂敷于所制备阳极氧化处理后的集流体表面，得到内并型铅炭电池的碳负极，将该碳负极与铅酸电池铅负极通过焊接并联，得到铅炭电池负极，将铅酸电池正极与并联有碳电极的铅炭电池负极组装成内并型铅炭电池。其中铅酸电池的正极活性物质为氧化铅质量为93g，负极活性物质为海绵铅质量为83g，正负极板栅采用常规铅板栅，面积与碳负极板栅面积完全一致，将三块正极板四块负极板间隔摆放，其中四块负极板的堆叠方式为：中间两块为铅酸电池负极板，外边两块为所制备的碳负极板，所有负极板通过焊接并联在一起，所有正极通过焊接并联在一起。将正负极放入紧装配的电池盒中，其中电池盒的长106mm，宽40mm，高100mm，向电池盒中注入116g密度为1.285g/ml的硫酸电解液。将电池进行寿命测试，其测试条件为：采用4.2A恒流放电59秒，18A放电1秒，采用6.3A电流2.3V电压恒流恒压充电60秒，将该充放电条件循环3600次，随后静置40小时，40小时后重新开始循环，寿命测试的终止条件为电池电压降低至1.2V以下。所组装的内并型电池测试结果如图3。内并型电池在该条件下可运行18000圈。与不含碳负极的铅酸电池在同样测试条件下的测试结果对比(图4(7200圈左右))，内并型铅炭电池的寿命可以达到传统铅酸电池寿命2.5倍。
实施例2
按照实施例1的条件，仅延阳极氧化时间至1小时，该板栅的表面微观形貌如图5，即可得到刻蚀掉的氧化铅质量占刻蚀前铅板的质量百分数为0.47％。所组装的内并型电池测试结果如图6。内并型电池在该条件下可运行18000圈。与不含碳负极的铅酸电池在同样测试条件下的测试结果对比(图4(7200圈左右))，内并型铅炭电池的寿命可以达到传统铅酸电池寿命2.5倍。
实施例3
按照实施例1的条件，不改变其他条件，仅将电解液密度提升至1.34g/ml，即可得到刻蚀掉的氧化铅质量占刻蚀前铅板的质量百分数为1.05％。所组装的内并型电池测试结果如图7。内并型电池在该条件下可运行18000圈。与不含碳负极的铅酸电池在同样测试条件下的测试结果对比(图4(7200圈左右))，内并型铅炭电池的寿命可以达到传统铅酸电池寿命2.5倍。
实施例4
按照实施例1的条件，将所制备的阳极氧化后的集流体作为铅酸电池集流体。按照常规铅酸电池正负极板制备方法制备铅酸电池正负极，其中使用阳极氧化后的集流体替换常用的铅集流体。所组装的内并型电池测试结果如图8。内并型电池在该条件下可运行14400圈。与不含碳负极的铅酸电池在同样测试条件下的测试结果对比(图4(7200圈左右))，内并型铅炭电池的寿命可以达到传统铅酸电池寿命2倍。
Claims (4)
1.一种集流体在内并型铅炭电池中的应用，其特征在于：集流体通过如下过程制备而成，
1）将金属铅的平板或板栅通过除油去杂清洗干净，作为极板；
2）电源正极和负极分别连接一块以上的步骤1）处理后的极板，在电流密度1-20A/dm3的条件下进行阳极氧化，电解液为密度为1.01g/ml-1.8 g/ml的硫酸水溶液，阳极氧化时间为1分钟-5小时；
3）取出连接正极的平板或板栅，在温度10-100℃的糖碱水溶液中浸泡5分钟-1小时，后取出清洗、干燥；其中糖碱水溶液为氢氧化钠和葡萄糖的水溶液，氢氧化钠在水溶液中的质量百分数为0.1-10%，葡萄糖在水溶液中的质量百分数为0.01-1%；
4）将电极浆料涂敷于步骤3）的平板或板栅上下表面，电极活性物质担载量为0.1g/cm2-10g/cm2。
2.根据权利要求1所述应用，其特征在于：当应用于内并型铅炭电池时，步骤4）的电极浆料的溶质为活性炭、导电碳和粘结剂的混合物，三者的质量比为85-50：45-5：10-5。
3.根据权利要求1所述应用，其特征在于：集流体作为内并型铅炭电池的碳负极，将该碳负极与铅酸电池铅负极通过焊接并联，得到铅炭电池负极，将铅酸电池正极与并联有碳电极的铅炭电池负极组装成内并型铅炭电池。
4.根据权利要求1所述应用，其特征在于：除油去杂清洗干净具体过程为：将金属铅的平板或板栅浸泡于质量浓度5-30%稀硝酸溶液中5分钟-2小时；浸泡后取出用去离子 水清洗干净。
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