CN110197907B - 一种高能电池阴极芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池技术领域，提出了一种高能电池阴极芯片，包括以下步骤：将以下质量配比的组分混合均匀：钒40‑60，二氧化硼30‑45，镍4‑6，镉1‑3；将步骤(1)中混合好的材料通过SHS高温反应得到阴极粉体；所述阴极粉体通过热压成型制成阴极板。本发明还提出了一种高能电池。通过上述技术方案，解决了现有技术中电池能量低影响电池使用时效的问题。

Description

一种高能电池阴极芯片
技术领域
本发明属于电池技术领域，涉及一种高能电池阴极芯片。
背景技术
燃料电池将形成新一代的主要能源，被人们高度重视。随着电动车的制造和生产，电池的能容量始终是难于突破的瓶颈。只有突破电池的能容量提高电池使用时效，延长其使用寿命，加大其功率，就会使电动车涌现出一个及其庞大的市场，进而取代燃油汽车。
发明内容
本发明提出一种高能电池阴极芯片，解决了现有技术中的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种高能电池阴极芯片，包括以下步骤：
（1）将以下质量配比的组分混合均匀：钒40-60，二氧化硼或者二硼化钛30-45，镍4-6，镉1-3；
（2）将步骤（1）中混合好的材料通过SHS高温反应得到阴极粉体；
（3）所述阴极粉体通过热压成型制成阴极板。
进一步，包括上述制得的阴极板，还包括阳极板，所述阳极板由以下质量配比的组分组成：石墨60-75，二氧化锆22-29，碳2-10，
所述阳极板的制备方法包括以下步骤：
a：将以下质量配比的组分混合均匀：石墨60-75，二氧化锆22-29，碳2-10，
b：将步骤a中混合好的材料通过SHS高温反应得到阳极粉体，
c：所述阳极粉体通过热压成型制成阳极板，
d：所述阳极板表面喷涂石墨烯涂层。
进一步，步骤d中所述阳极板通过三阳极等离子热喷涂石墨烯涂层，所述石墨烯涂层厚度为0.15-0.2mm，所述石墨烯涂层的结合力为45MPa，孔隙度为0.04-0.06%，光洁度波峰值为0.032mm，粒子飞行速度为130-140m/min。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明中的阴极板具有优良的抗氧化性能、抗腐蚀性能，导电性和导热性均良好。通过前期TEM、SEM红外衍射表明，本发明中的阴极板，各项均匀分布，且又形成互相交错的网络结构，材料具有良好的理化及力学性能。
本发明提出了一种以二硼化钒为电极的材料，是一种高能量的新型电池材料，具有5KWh/Kg实际容量，比汽油2.7KWh/Kg高出接近一倍，比传统的锂离子电池的0.5KWh/Kg高出了近10倍。且本发明中的阴极板具有较低的电阻率（比SiC小108-10）。
本发明采用阴极材料为陶瓷系列材料二硼化钒，而阳极材料采用石墨烯及硬碳，碳化材料在完全放电的状态下，钒原子只是存在于阴极中，充电时钒原子从阴极中释放出来，经过电解液扩散到达石墨烯-碳阳极，放电时则发生相反的反应。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种高能电池阴极板，其特征在于：
（1）将以下质量配比的组分混合均匀：钒40-60，二氧化硼30-45，镍4-6，镉1-3；
（2）将步骤（1）中混合好的材料通过SHS高温反应得到阴极粉体；
（3）所述阴极粉体通过热压成型制成阴极板。
本发明还提出了一种高能电池，包括上述方法制得的阴极板，还包括阳极板，所述阳极板由以下质量配比的组分组成：石墨60-75，二氧化锆22-29，碳2-10，
所述阳极板的制备方法包括以下步骤：
a：将以下质量配比的组分混合均匀：石墨60-75，二氧化锆22-29，碳2-10，
b：将步骤a中混合好的材料通过SHS高温反应得到阳极粉体，
c：所述阳极粉体通过热压成型制成阳极板，
d：所述阳极板表面喷涂石墨烯涂层。
作为进一步的技术方案，步骤d中所述阳极板通过三阳极等离子热喷涂石墨烯涂层，所述石墨烯涂层厚度为0.15-0.2mm，所述石墨烯涂层的结合力为45MPa，孔隙度为0.04-0.06%，光洁度波峰值为0.032mm，粒子飞行速度为130-140m/min。
作为进一步的技术方案，还包括电解液 ，所述电解液包括以下组分：亚硝酸钒离子溶液 和碳酸乙烯酯有机溶液，所述离子溶液与所述碳酸乙烯酯的质量之比为9:11-3:2。
所述电解液还包括磷酸三钠和亚硝酸钠。
作为进一步的技术方案，还包括隔膜，所述隔膜包括聚乙烯层或聚丙烯层，所述聚乙烯层或所述聚丙烯层表面通过聚酰胺树脂粘附二硼化钛保护层。
作为进一步的技术方案，所述阴极板-所述阳极板-所述隔膜呈Z型排列 ，所述阴极板包括阴极集流体，所述阴极集流体为铝箔材料制成。
作为进一步的技术方案，所述电池内设置有电流传感器，所述电流传感器为霍尔传感器。
1、理化及力学性能测试
2、电极容量测试
3、电子导体和离子导体的电化学效应
本发明采用的二硼化钒本身具有抗高温及低电阻的特殊性，在进行此阶段测试中，将原电池与电解池做化学反应试验，电子导体连接两个电极并使电流在两极之间通过，构成外电路（原电池），在外露电池中嵌入一个外加电源，从而出现了电流从外加电源流入电池，使电池发生了化学变化，形成电解池，原电池两极与外电路中的负载接通后，外加电源的电流从电解液中流过，使阳极电解质活性发生氧化还原反应，产生价态变化，将电能转化为化学能。
4、离子淌度与电导率的试验走势
在外电场作用下，电解液中的离子将转变为定向运动，形成电流离子在电场中移动的难易程度，决定其淌度，这符合欧姆定律，也具有电阻，电阻率倒数电导率。本发明中的二硼化钒经试验证明具有优异的电导率，比Si小109-10倍的低电阻率。
离子的导电能力与离子的运动速度有关，在溶液运动中受阻力越大，离子运动速度越慢，电导率越小，离子价态决定了电导率的流淌，本发明采用陶瓷材料硼化系列，提高了离子价态的运动，外电场的作用高于其他材料，其中陶瓷材料硼化系列的优异特性，使得离子运动极快，所以产生的电导率极高。
5、相间点位和电极点位试验
以本专利所采用的金属钒，与电解质溶液相接触时，由钒产生的导体构成金属球，其所带电荷完全均匀分布在球面上，其形成的带电球体，试验电荷穿过球体也要做功，而形成内外电位。试验中发现能量变化中带电粒子所需要的电功是带电粒子与金属钒的作用，引起的偏摩尔的自由能量变化，粒子的电化势又与温度压力及电化学组成有关，因此钒的最大量化必须准确控制温度，压力及电化学组成的关键点，所以平衡两相中的电化学势极为重要，也是本发明中的切入点，电极电位保持一个恒定的电极组成以硼化材料与金属的复合形成了功率强大的原电池，按通用的氢标电极做为负极，测定本专利所用的二硼化钒离子均高于其它电池的发功效率，所以试验中充分考虑到平衡电极电位，电池电动势，以能斯特方程式做了反复的详尽的计算。
在恒压条件下可逆电池进行化学反应时，由于温度的改变，摩尔自由能会产生变化，电池中摩尔的焙变及嫡变为恒压条件电池电动热对温度的偏导，所以当可逆电池放电时，电池反应过程的热为逆热，电池工作时与环境没有热交换，而化学反应的反应热一可以全部转化电功，当电池工作时向环境放出热量即化学反应的反应热一部分转化为电功，另一部分以热的形式传递给环境，这就是人们在触换电池时感到的灼热，如果在绝热体系中电池温度会逐渐升高，电池工作时从环境中吸收热量，是化学反应的反应热转化为电功，同时，电池还需要从环境中吸收热量做功，如果在绝热体系中电池温度，会慢慢降低，对于无气体参与的电极反应，电池的电动热基本上与压力无关，但是，当电池反应中气体物质的量发生变化应该高度注视对压力的影响。
6、耐热性能
电池隔膜是采用聚乙烯氢材料制备而成，将薄膜放置在阴极和阳极之间，在允许离子通过的同时，防止正负电接触，常用的有干法单组分体系，湿法双组分体系及湿法三组分体系。许多隔膜都有一个自闭孔功能，这是设计中必要的物理性能要求，“自闭孔”的功能是隔膜的一个安全特征，当电池由于短路或其它原因，产生不正常的热而导致聚合物溶化时，可以关闭微孔，从而阻止电极间的离子迁移，这项功能可以阻止电池过热，从而极大的提升了电池的安全性。
隔膜自闭孔功能起作用的具体温度是由组成隔膜的聚合物的熔点决定的，聚乙烯和聚丙烯隔膜在不同温度下离子迁移的阻抗大小，高温时阻抗突然增加升高，代表此时孔已溶化关闭，自闭功能开始启用，自闭功能运行的温度取决于聚合物的熔点，聚乙烯隔膜在130-140℃之间，阻抗急速上升，这说明电池温度即使在短路的情况下也不会超过这个温度，对于溶点在170℃聚丙烯隔膜在电池接近这个温度前自闭孔功能不会开始启动。
本专利研究发明了在聚乙烯隔膜材料的表面粘涂上一层二硼化钛的保护层，二硼化钛具有耐高温侵蚀，对酸碱的抗腐蚀功能，并具有良好的离子传导性能，本专利采用芳香族聚酰胺树脂做为二硼化钛粘接剂，在试验中取得了良好的效果，解决了聚乙烯隔膜的致命缺陷，在经历自闭孔功能之后，温度连续升高时，隔膜的破裂问题，从而避免了电池隔膜的更换，本专利二硼化钒高能电池的隔膜采用层压复合隔膜，即将聚乙烯和聚丙烯表面涂上芳香族聚酞胺树脂和二硼化钛微颗粒，层压复合的新型隔膜微孔材料。
7、本发明采用球磨法制备钒粉，将钒块放入滚桶内，岛津球磨机，滚桶转动，靠摩擦力带动钒块转动到一定的热量，有利于钒颗粒的氧化。
在钒粉机滚筒内，除了钒粒被粉碎之外，还会发生一定的反应，并且放热，除此之外，钒粒撞击也会产生热量，生成的钒粉带出了大部热量，但剩余的放热量还会使滚筒温度升高，所以在滚筒外设有喷淋装置，当滚筒温度升到规定上限，喷淋装置会自动开启，给滚筒降温，确保滚筒在规定的温度范围内，设备设置了滤粉器。钒粉进入滤粉器后经滤袋处理，保持过滤效果，所产生的钒烟，钒尘经二级处理器处理达到生产中无烟无尘的效果，做到环保排放要求排放。
本发明采用粉末冶金制作技术，制作出的二硼化钒电池的极板，尺寸精度可达公差等级12-13级，粗糙度为RS2.5-3级。粉末冶金制作二硼化钒极板，需要制作出不同规格的模具，以保证极板的厚度，长度和宽度，为了保证模具的质量和使用寿命，本专利选用Cr12Mo4V(12铬钼钒)作为模具材料，以确保模具的使用寿命，不出现凹凸现象，并能有效地控制极板的长度，宽度和厚度以及极板密度。
本专利的外壳包装采用铝壳包装，将阴极板/阳极板/隔膜采用“Z”字形折叠、堆叠，使之成为层状薄片形，此种装配能充分发挥二硼化钒电池的极高容量。
霍尔传感器是当前世界上最先进、灵敏度最高的元器件，其体积小、灵敏度高、功耗低、线性度好，响应快，测量范围宽，坚固耐用，抗恶劣条件等优点是本专利在管理系统中主要的元件，现代智能汽车和监测系统中霍尔传感器都是非常关键的元件，所以本专利在二硼化钒高能电池都安装了新型霍尔传感器，以确保二硼化钒高能电池使用的安全性。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高能电池，其特征在于：包括阴极板和阳极板；
所述阴极板的制备方法包括以下步骤：
(1)将以下质量配比的组分混合均匀：钒40-60，二氧化硼30-45，镍4-6，镉1-3；
(2)将步骤(1)中混合好的材料通过SHS高温反应得到阴极粉体；
(3)所述阴极粉体通过热压成型制成阴极板；
所述阳极板由以下质量配比的组分组成：石墨60-75，二氧化锆22-29，碳2-10；
所述阳极板的制备方法包括以下步骤：
a：将以下质量配比的组分混合均匀：石墨60-75，二氧化锆22-29，碳2-10，
b：将步骤a中混合好的材料通过SHS高温反应得到阳极粉体，
c：所述阳极粉体通过热压成型制成阳极板，
d：所述阳极板表面喷涂0.15-0.2mm厚度的石墨烯涂层。
2.根据权利要求1所述的一种高能电池，其特征在于：步骤d中所述阳极板通过三阳等离子热喷涂石墨烯涂层，所述石墨烯涂层的结合力为45MPa，孔隙度为0.04-0.06％，光洁度波峰值为0.032mm，粒子飞行速度为130-140m/min。
3.根据权利要求1所述的一种高能电池，其特征在于：还包括电解液，所述电解液包括以下组分：亚硝酸钒离子溶液、碳酸乙烯酯有机溶液、磷酸三钠和亚硝酸钠，所述亚硝酸钒离子溶液与所述碳酸乙烯酯的质量之比为9:11-3:2。
4.根据权利要求1所述的一种高能电池，其特征在于：还包括隔膜，所述隔膜包括聚乙烯层或聚丙烯层，所述聚乙烯层或所述聚丙烯层表面通过聚酰胺树脂粘附二硼化钛保护层。
5.根据权利要求4所述的一种高能电池，其特征在于：所述阴极板-所述阳极板-所述隔膜呈Z型排列，所述阴极板包括阴极集流体，所述阴极集流体为铝箔材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种高能电池，其特征在于：所述电池内设置有电流传感器，所述电流传感器为霍尔传感器。
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