CN111097331A - 一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，包括底面为锥形或者球形的搅拌罐、设在搅拌罐上的进料端与排料端、设在搅拌罐内的主管道、均布在主管道上并与主管道连通的雾化管道、均布在雾化管道上的雾化喷头、输入端与搅拌罐连接的高压泵、设在搅拌罐上的驱动装置以及设在搅拌罐内并与驱动装置连接的搅拌器。主管道的一端从搅拌罐伸出并与高压泵的输出端连接，搅拌器用于搅动搅拌罐底面上的沉淀，使其重新返回到浆液中。本发明用于生产电导剂制备过程中的浆液，可以使石墨烯在浆液中的分布更加均匀，从而制得性能更优的电池电极。

Description

一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统

技术领域

本发明涉及铅碳电池电导剂制备的技术领域，尤其是涉及一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统。

背景技术

研究发现，石墨烯少量的加入能够显著提高铅碳电池负极的导电性，很好的限制硫酸铅晶体颗粒在电极表面的自生长，这有利于电极表面易溶解小颗粒硫酸铅物质的形成。在高倍率放电状态下，石墨烯可以促进硫酸溶液更容易、更快速且更深地渗透到铅负极活性物质中，从而提高铅碳电池在高倍率状态下的循环次数的逐渐增多和放电深度的不断深入。

随着石墨烯加入量的增加，这一改善趋于明显，但是增加到一定量后，改善的增长幅度趋于零，从石墨烯的角度分析原因，石墨烯作为一种新型的二维柔性平面炭材料，有着优良的导电性和导热性。这种结构使得石墨烯片层可以附着在活性物质颗粒上，为电极正负极活性物质颗粒提供大量的导电接触位点，使电子能够在二维空间内传导，构成一个大面积的导电网络，但是随着导电网络的逐渐拥挤，整体的性能不会继续提升，甚至会出现下降的现象。继续研究发现，随着充放电倍率的不断提高，导电网络是否均匀的影响越来越大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，该浆液制备系统能够制备混合更加充分的电导剂浆液，能够进一步提高石墨烯在电池负极中分布的均匀性。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，包括：

搅拌罐，底面为锥形或球形，其上设有进料端和排料端；

主管道，设在搅拌罐内，其一端从搅拌罐伸出；

雾化管道，均布在主管道上并与主管道连通；

雾化喷头，均布在雾化管道上；

高压泵，输入端与搅拌罐连接，输出端与主管道从搅拌罐伸出的一端连接；

驱动装置，设在搅拌罐上；以及

搅拌器，设在搅拌罐内并与驱动装置连接，用于搅动搅拌罐底面上的沉淀。

本发明进一步设置为：所述主管道水平设置，所述雾化管道对称设在主管道的两侧。

本发明进一步设置为：所述搅拌器包括与驱动装置连接的搅拌轴和设在搅拌轴上的涡轮式搅拌翅。

本发明进一步设置为：所述涡轮式搅拌翅的直径为搅拌罐内径的15%-20%。

本发明进一步设置为：所述搅拌轴上均布有多个刮板；

在垂直于搅拌罐底面的方向上，所述刮板与搅拌罐底面之间的距离处处相等。

本发明进一步设置为：所述刮板与搅拌罐底面之间的距离为1-2mm。

本发明进一步设置为：所述刮板上设有弹性刮条，所述弹性刮条抵接在搅拌罐的底面上。

本发明进一步设置为，还包括：

第一循环管，设在搅拌罐的外壁上并与搅拌罐外壁相切；

第二循环管，设在搅拌罐的外壁上，与搅拌罐外壁相切，平行于第一循环管且位于第一循环管的上方；以及

隔膜泵，输入端与第一循环管连接，输出端与第二循环管连接。

本发明进一步设置为：所述搅拌罐的内壁上设有螺旋导向带；

所述螺旋导向带的两端分别位于第一循环管和第二循环管与搅拌罐的连接处。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

生产过程中，电导剂的浆液从搅拌罐流入高压泵，经过加压后从雾化喷头喷出，然后返回到搅拌罐内，同时在隔膜泵的驱动下沿着搅拌罐的内壁循环流动。在不断的流动与雾化过程中，石墨烯在电导剂浆液中的分布趋于均匀和一致，对于后续的生产工艺而言，使用混合充分的电导剂浆液能够制备出性能更加良好的电池负极，可以在电池负极中形成一个大面积的均匀的导电网络，起到提升铅碳电池整体性能的作用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种立体结构示意图。

图2是基于图1的内部结构示意图。

图3是基于图2的内部结构示意图，图中隐藏了搅拌罐、高压泵、进料端和排料端等。

图4是图2中A部分的放大示意图。

图5是图2中B部分的放大示意图。

图6是图2中C部分的放大示意图。

图中，11、搅拌罐，12、主管道，13、雾化管道，14、雾化喷头，15、高压泵，16、驱动装置，17、搅拌器，21、第一循环管，22、第二循环管，23、隔膜泵，24、螺旋导向带，111、进料端，112、排料端，171、搅拌轴，172、涡轮式搅拌翅，173、刮板，174、弹性刮条。

具体实施方式

在对本发明进行解释和说明之前，首先对铅碳电池、电导剂和电导剂的制备进行初步介绍。

铅碳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。铅碳电池将铅酸电池和超级电容器两者合一，既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点，也发挥了铅酸电池的比能量优势，且拥有非常好的充放电性能，90分钟就可充满电，而且由于加了石墨烯，阻止了负极硫酸盐化现象，改善了过去电池失效的一个因素，使用寿命的增加也较为明显。

导电剂是为了保证电极具有良好的充放电性能，在极片制作时通常加入一定量的导电物质，在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用，以减小电极的接触电阻加速电子的移动速率，同时也能有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率，从而提高电极的充放电效率。

电导剂的制备流程大致包括调浆制备、固液分离、筛分过滤、冻干和焙烧等工序，其中调浆制备是整个制备流程的关键工序。调浆制备的作用是使石墨烯在浆液中均匀的分布，石墨烯的分布越均匀，就能够在最终制成的电池正负极内形成巨大且均匀的导电网络，因此调浆制备中产出的浆液混合越充分，最终制作的电池电极的质量也就越好。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1和图2，为本发明实施例公开的一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，该制备系统主要由搅拌罐11、主管道12、雾化管道13、雾化喷头14、高压泵15、驱动装置16和搅拌器17等组成。

搅拌罐11由罐体，与罐体连接的罐底和法兰连接在罐体上的端盖三部分组成，罐底为锥形或者球形，端盖上设有进料端111，罐底上设有排料端112。进料端111是一节管，固定在端盖上并与端盖连通，用于向搅拌罐11内导入原料，排料端112的主体部分同样是一节管，连接在罐底的中心处，其上还安装有一个阀门，浆液混合完成后，打开阀门，混合好的浆液就鞥够通过这节管道流出。

参考图2、图4和图5，主管道12水平设在罐体内，其一端固定在罐体的内壁上，另一端从罐体伸出。雾化管道13的数量为多根，分为两组，对称设在主管道12的两侧， 其一端固定在罐体的内壁上，另一端与主管道12连通。每一根雾化管道13上都安装有多个雾化喷头14。

高压泵15位于搅拌罐11外，其输入端通过一根管道与搅拌罐11的罐体或者罐底连接，输出端通过另一根管道与主管道12上从罐体11伸出的一端连接。工作过程中，高压泵将搅拌罐11内的浆液抽出后注入到主管道12内，主管道12内的浆液分别流入到每一根雾化管道13内，再从雾化管道13上的雾化喷头14喷出，落到搅拌罐11内，浆液制备过程中，该过程持续进行。

搅拌罐11的端盖上还安装有一个驱动装置16，驱动装置16输出端与搅拌器17相连，搅拌器位于搅拌罐11内，用于对罐底的沉淀进行搅拌。

制备过程中，通过进料端111向搅拌罐11内注入浆液，然后开始进行制备。高压泵15首先启动，将搅拌罐11内的溶液抽出来，加压后注入到主管道12内，然后通过主管道12流入到每一根雾化管道13内，接着从雾化管道13上的雾化喷头14喷出，落回到搅拌罐11内部。该过程持续进行，使石墨烯尽可能的在浆液中分散。

该过程中，考虑到高压雾化的处理速度较慢，搅拌罐11的罐底处可能出现沉淀，因此需要驱动装置16驱动搅拌器17转动，将这些出现的沉淀搅动起来，使其返回到浆液中。

一实施例中，驱动装置16间隔启动，也就是每隔一个固定的时间后启动一段时间，然后停止，间隔启动时，驱动装置的输出转速控制在每分钟10-15转左右。

另一实施例中，驱动装置16连续工作，但是以极慢的速度转动，转速控制在每分钟5-10转左右。

使用雾化混合的原因在于单个石墨烯分子的重量要大于水分子的重量，如果使用常规的搅拌生产方式，会导致石墨烯分子的移动速度要大于水分子的流动速度，二者无法充分混合。搅拌过程中搅拌翅转动过程中产生的剪切应力，会使浆液出现分层现象，在加上搅拌翅的影响范围有限，靠近搅拌轴处和搅拌罐11的罐壁处的浆液流动速度慢，靠近搅拌翅附近的浆液流动速度快，罐体内的浆液流动速度分布不均匀，石墨烯在浆液中的浓度分布就更加不均匀了。

使用雾化混合的方式进行制备时，浆液在高压泵15、主管道12、雾化管道13和雾化喷头14中的流动速度基本上是趋于一致的，浆液从雾化喷头14中喷出后，形成大量的微小液滴，然后在落回到搅拌罐11内。由于形成大量微小液滴的过程是随机的，石墨烯进入到哪一个液滴中也是随机的，从概率上看，大量的随机过程会使石墨烯更加分散，经过多次的循环后，石墨烯在浆液中的分布会越来越均匀。

另一方面，雾化混合的过程中，搅拌罐11内的浆液流动速度缓慢并且趋于均匀，不会出现部分区域流速快，部分区域流速慢的情况，也不会出现分层的情况，这样能够在一定程度上提高石墨烯在浆液中分布的均匀性。

参考图1和图3，一实施例中，驱动装置16由电机、减速机和搅拌支架三部分组成，其中搅拌支架法兰连接在盖板上，减速机螺栓连接在搅拌支架上，电机连接在减速机的输入端上。工作过程中，电机通电后，带动减速机工作，减速机将电机低扭矩高转速的输出变为高扭矩低转速的输出，然后传递给与之连接的搅拌器17。

另一实施例中，驱动装置16由电机和减速机组成，减速机直接螺栓连接在搅拌支架上，电机连接在减速机的输入端上。工作过程中，电机通电后，带动减速机工作，减速机将电机低扭矩高转速的输出变为高扭矩低转速的输出，然后传递给与之连接的搅拌器17。

进一步地，为了应对搅拌过程中可能出现的搅拌器17晃动，在搅拌罐11罐底的内壁上加装一个环形套，搅拌器17的下端插入到环形套内。

参考图2和图3，一实施例中，搅拌器17主要由搅拌轴171和涡轮式搅拌翅172两部分组成，搅拌轴171的上端与驱动装置16连接，具体的说是与驱动装置16中的减速机的输出轴连接。涡轮式搅拌翅172固定安装在搅拌轴171的下端，与搅拌罐11的罐底之间存在一段距离。工作过程中，搅拌轴171带动涡轮式搅拌翅172转动，涡轮式搅拌翅172在转动的过程中推动其下方的浆液朝搅拌罐11罐底的方向流动，将搅拌罐11罐底上的沉淀吹起来，使其重新返回到浆液中。

进一步地，为了避免涡轮式搅拌翅172在转动过程中产生的剪切应力使其附近的浆液出现分层，将涡轮式搅拌翅172的直径为搅拌罐11内径的15%-20%，这样能够有效降低其边缘处的线速度，既能够保证将搅拌罐11罐底处的沉淀吹起来，又不会因速度过快导致其附近的浆液出现分层。

参考图2和图6，一实施例中，在搅拌轴171上安装了多个刮板173，这些刮板173以搅拌轴171的轴线为基准，在搅拌轴171的外壁上均匀分布。搅拌轴171上的刮板173与搅拌轴171的夹角均与搅拌罐11罐底与罐体轴线的夹角相等，也就是刮板173靠近罐底的一侧与在任意位置上均与罐底平行，在垂直于罐底的方向上，二者之间的距离处处相等。这样搅拌轴171在转动的过程中，能够通过刮板173推动罐底上方的浆液流动，进一步降低罐底上的沉淀量。

进一步地，刮板173与搅拌罐11底面之间的距离为1-2mm，该距离既可以使刮板173尽可能的靠近罐底，又不会使二者在发生相对运动的过程中发生接触。

另一实施例中，在每一根刮板173上加装了一根弹性刮条174，弹性刮条174抵接在搅拌罐11的底面上，在随刮板173转动的过程中，能够将罐底上的沉淀刮下来，使其重新返回到浆液中。刮板173通过摩擦的方式将罐底的沉淀刮下来，对沉淀的去除更加彻底。

回看图1和图2，一实施例中，在搅拌罐11的外壁上增加了一根第一循环管21和一根第二循环管22，第一循环管21和第二循环管22的最外侧均与搅拌罐11的罐体相切，第一循环管21平行于第二循环管22且位于第二循环管22的下方。

第一循环管21和第二循环管22之间通过隔膜泵23连接，隔膜泵23位于搅拌罐11外，其输入端与和输出端分别与第一循环管21和第二循环管22连接。

工作过程中，隔膜泵23通过第一循环管21将搅拌罐11内的浆液抽出来，经过加压后送入到第二循环管22内，浆液通过第二循环管22流回到搅拌罐11内，然后开始沿着罐体的内壁流动。浆液在流动的过程中还会受到重力作用，沿着罐体的内壁流动边向下流动，其运动轨迹为螺旋状。

该部分流动的浆液能够带动罐体内壁附近的浆液处于流动状态，避免石墨烯吸附在罐体的内壁上，同时还能够带动搅拌罐内的浆液处于一个缓慢的流动状态，避免处于静止状态时浆液内的石墨烯在重力的作用下向靠近罐底的方向移动，出现下浓上稀的情况。

参考图3，进一步地，在搅拌罐11的内壁上固定了一条螺旋导向带24，螺旋导向带24的形状与这部分沿着罐体内壁流动的浆液的流动轨迹相同，其两端分别位于第一循环管21和第二循环管22与搅拌罐11的连接处，这样从第二循环管22流出的浆液能够沿着螺旋导向带24流动，流动轨迹更加明显，相邻的流动区域之间不会出现重合，能够避免不必要的速度损耗。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，其特征在于，包括：

搅拌罐（11），底面为锥形或者球形，其上设有进料端（111）和排料端（112）；

主管道（12），设在搅拌罐（11）内，其一端从搅拌罐（11）伸出；

雾化管道（13），均布在主管道（12）上并与主管道（12）连通；

雾化喷头（14），均布在雾化管道（13）上；

高压泵（15），输入端与搅拌罐（11）连接，输出端与主管道（12）从搅拌罐（11）伸出的一端连接；

驱动装置（16），设在搅拌罐（11）上；以及

搅拌器（17），设在搅拌罐（11）内并与驱动装置（16）连接，用于搅动搅拌罐（11）底面上的沉淀。

2.根据权利要求1所述的一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，其中：所述主管道（12）水平设置，所述雾化管道（13）对称设在主管道（12）的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，其中：所述搅拌器（17）包括与驱动装置（16）连接的搅拌轴（171）和设在搅拌轴（171）上的涡轮式搅拌翅（172）。

4.根据权利要求3所述的一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，其中：所述涡轮式搅拌翅（172）的直径为搅拌罐（11）内径的15%-20%。

5.根据权利要求3所述的一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，其中：所述搅拌轴（171）上均布有多个刮板（173）；

在垂直于搅拌罐（11）底面的方向上，所述刮板（173）与搅拌罐（11）底面之间的距离处处相等。

6.根据权利要求5所述的一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，其中：所述刮板（173）与搅拌罐（11）底面之间的距离为1-2mm。

7.根据权利要求6所述的一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，其中：所述刮板（173）上设有弹性刮条（174），所述弹性刮条（174）抵接在搅拌罐（11）的底面上。

8.根据权利要求1所述的一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，其中还包括：

第一循环管（21），设在搅拌罐（11）的外壁上并与搅拌罐（11）外壁相切；

第二循环管（22），设在搅拌罐（11）的外壁上，与搅拌罐（11）外壁相切，平行于第一循环管（21）且位于第一循环管（21）的上方；以及

隔膜泵（23），输入端与第一循环管（21）连接，输出端与第二循环管（22）连接。

9.根据权利要求8所述的一种用于生产石墨烯铅碳电池电导剂的浆液制备系统，其中：所述搅拌罐（11）的内壁上设有螺旋导向带（24）；

所述螺旋导向带（24）的两端分别位于第一循环管（21）和第二循环管（22）与搅拌罐（11）的连接处。

Images