CN111224107B - 一种石墨烯极板式铅酸蓄电池 - Google Patents

一种石墨烯极板式铅酸蓄电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及蓄电池技术领域，公开了一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，包括电池壳体、顶盖，电池壳体内设有若干平行的负极板组件，相邻负极板组件之间均设有正极板组件，正极板组件与负极板组件之间、最外侧负极板组件与电池壳体的内壁之间均设有微孔隔板，微孔隔板内填充有电解液；正极板组件、负极板组件均包括微孔陶瓷板、附着在微孔陶瓷板上的活性物质，微孔陶瓷板的微孔中及外表面均设有石墨烯颗粒层；电池壳体内位于负极板组件、正极板组件的上端处设有内盖板，正极板组件的上端均与正极片电连接，正极片上设有正极柱，负极板组件的上端均与负极片电连接，负极片上设有负极柱。本发明具有性能稳定、充放电效率高的有益效果。

Description

一种石墨烯极板式铅酸蓄电池
技术领域
本发明涉及蓄电池技术领域，尤其涉及一种石墨烯极板式铅酸蓄电池。
背景技术
铅酸蓄电池通常包括外壳、正极板、负极板、正极连接片、负极连接片、隔板及电解液，正极板通常为二氧化铅，负极板为铅，电解液通常为硫酸，隔板设置在正极板与负极板之间，隔板能防止正极板、负极板接触短路，隔板具有多孔性，用于储放电解液。目前的铅酸蓄电池的正极板、负极板一般通常都包括极板骨架（也叫栅架）、活性物质，正极板、负极板的基板骨架通常为铅锑钙合金栅架，正极板上的活性物质为二氧化铅，负极板上的活性物质为海绵状纯铅。随着铅酸蓄电池的充放电使用，铅锑钙合金栅架会逐渐本电解液腐蚀，进而导致活性物质脱落，进而降低铅酸蓄电池的使用寿命。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的铅酸蓄电池存在的上述问题，提供了一种充放电速率高、使用寿命长、性能稳定的石墨烯极板式铅酸蓄电池。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，包括电池壳体、顶盖，所述电池壳体内设有若干平行的负极板组件，相邻负极板组件之间均设有正极板组件，所述正极板组件与负极板组件之间、最外侧负极板组件与电池壳体的内壁之间均设有微孔隔板，微孔隔板内填充有电解液；所述的正极板组件、负极板组件均包括微孔陶瓷板、附着在微孔陶瓷板上的活性物质，其中正极板组件上的活性物质为二氧化铅，负极板组件上的活性物质为铅，所述微孔陶瓷板的微孔中及外表面均设有石墨烯颗粒层，所述的活性物质分布在石墨烯颗粒层的表面；所述电池壳体内位于负极板组件、正极板组件的上端处设有内盖板，正极板组件的上端均与正极片电连接，正极片上设有穿过顶盖的正极柱，所述负极板组件的上端均与负极片电连接，所述负极片上设有穿过顶盖的负极柱。
该种蓄电池中的正极板组件、负极板组件均以微孔陶瓷板为基体，强度高、表面积大，在微孔陶瓷板的表面积微孔中设置石墨烯颗粒层，使得微孔陶瓷基体具备良好的导电性能，最后将活性物质（正极板组件采用二氧化铅、负极板组件采用铅）附着在石墨烯颗粒层表面，该种正极板组件、负极板组件与电解液的接触面积非常大，在充放电过程中活性物质与电解液的反应非常快速，充放电效率高；而且微孔陶瓷板不易被电解液腐蚀，因此使用寿命长，同时微孔陶瓷板的密度比现有的栅架密度（通常为铅锑钙合金栅架，密度在7-12g/cm³；陶瓷没有孔隙状态下的密度为2.4-2.9g/cm³，微孔陶瓷板的密度小于2.4g/cm³）要小很多，因此整个蓄电池的质量显著降低；而且正极板组件、负极板组件上的活性物质的含量比传统的铅酸蓄电池中的活性物质含量少很多（传统铅酸蓄电池极板内部的活性物质几乎不参与反应），节约了原料成本；传统的铅酸蓄电池中正负极板的使用寿命远大于电池的整体寿命，造成极大的浪费，本申请中的蓄电池内的正极板组件、负极板组件的使用寿命与整体使用寿命一致，更加合理。
作为优选，所述微孔陶瓷板的中心设有介质槽，所述介质槽的上端开口处内设有接电片，所述接电片的上端弯折延伸形成导电耳片，所述导电耳片与对应的正极片、负极片螺栓固定。介质槽增大微孔陶瓷板的外壁的表面积，同时电解质会积聚在介质槽内，确保电解液与活性物质稳定接触。
作为优选，所述微孔陶瓷板的侧面设有若干与介质槽连通的横向长槽孔。横向长槽孔也是为了增大表面积。
作为优选，所述电池壳体的底部设有底座，所述底座与电池壳体之间形成散热腔；所述微孔陶瓷板的下端延伸形成伸入散热腔内的散热片，所述散热片与微孔陶瓷板的下端之间形成阶梯，所述散热片的表面设有陶瓷釉封闭绝缘涂层，所述散热腔的四个侧面均设有与外界连通的散热槽孔。正极板组件、负极板组件与电解液反应时会产生热量，本结构中直接在微孔陶瓷板的下端设置散热片，散热片直接伸入散热腔内进行散热，散热效果非常好。
作为优选，所述底座的底面设有若干排水孔。外部水汽偶尔会进入散热腔内，排水孔用于排放水。
作为优选，所述电池壳体的外侧面设有若干横向排布的散热翅片。电池壳体外侧的散热翅片增加整体散热性能。
作为优选，还包括正极板组件的制备工艺，包括以下步骤：
a、制备孔隙率为55%-65%、微孔孔径为220μm-300μm的微孔陶瓷板，将石墨烯粉末、亲水表面活性剂加入水中搅拌形成石墨烯悬浮液，将石墨烯悬浮液注入微孔陶瓷板中，直至微孔陶瓷板其它侧面有石墨烯悬浮液溢出停止；
b、将微孔陶瓷板放入煅烧炉内在氩气保护下进行煅烧，煅烧后冷却；重复步骤a两次，使得微孔陶瓷板的微孔孔壁、外表面形成石墨烯颗粒层；
c、将二氧化铅粉末放入酒精中搅拌形成二氧化铅悬浮液，将步骤b中制得的微孔陶瓷板浸入二氧化铅悬浮液中，外部用超声波对二氧化铅悬浮液进行震荡5-10min，取出微孔陶瓷板放入煅烧炉内在氩气保护下进行煅烧；
d、重复步骤c两次后，将微孔陶瓷板装在离心机上，微孔陶瓷板整体浸入水中，外部用超声波震荡，通过离心机的离心力以及超声波的震荡去除残留在微孔中的未固定的二氧化铅粉末、石墨烯粉末；
e、取出后烘干，制成所述的正极板组件。
作为优选，步骤a中石墨烯粉末的粒度为50μm-80μm，以石墨烯悬浮液总质量计，石墨烯粉末的质量百分含量为4%-6%，亲水性表面活性剂的质量百分含量为3%-5.5%，余量为水；亲水性表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为52000-62000。
作为优选，步骤c中二氧化铅粉末的粒度为45μm-65μm。
因此，本发明具有如下有益效果：（1）正极板组件、负极板组件均以微孔陶瓷板为基体，强度高、表面积大、不易被电解液腐蚀，整体性能更加稳定；（2）正极板组件、负极板组件的表面积大，活性物质与电解液的接触面积大，充放电效率高；（3）正极板组件、负极板组件的密度比传统蓄电池的铅锑钙合金栅架小很多，因此质量更轻；（4）正极板组件、负极板组件的寿命与蓄电池整体寿命较一致，不会造成浪费。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为图1中去掉顶盖、内盖板后的俯视图。
图3 为图1中A-A处横截面示意图。
图4为正极板组件（负极板组件）的结构示意图。
图中：电池壳体1、顶盖2、负极板组件3、正极板组件4、微孔陶瓷板40、散热片400、陶瓷釉封闭绝缘涂层401、介质槽41、接电片42、导电耳片43、横向长槽孔44、微孔隔板5、内盖板6、正极片7、正极柱8、负极片9、负极柱10、底座11、排水孔110、散热腔12、散热槽孔120、散热翅片100。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
如图1、图2和图3所示的一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，包括电池壳体1、顶盖2，其电池壳体1内设有若干平行的负极板组件3，相邻负极板组件之间均设有正极板组件4，正极板组件4与负极板组件3之间、最外侧负极板组件3与电池壳体1的内壁之间均设有微孔隔板5，微孔隔板内填充有电解液，电解液为硫酸；正极板组件4、负极板组件5均包括微孔陶瓷板40、附着在微孔陶瓷板上的活性物质，其中正极板组件4上的活性物质为二氧化铅，负极板组件5上的活性物质为铅，微孔陶瓷板的微孔中及外表面均设有石墨烯颗粒层，活性物质分布在石墨烯颗粒层的表面；电池壳体1内位于负极板组件、正极板组件的上端处设有内盖板6，正极板组件的上端均与正极片7电连接，正极片上设有穿过顶盖的正极柱8，负极板组件3的上端均与负极片9电连接，负极片上设有穿过顶盖的负极柱10。本实施例中的正极板组件有三片，负极板组件有四片，微孔隔板有八片。
如图4所示，微孔陶瓷板40的中心设有介质槽41，介质槽的上端开口处内设有接电片42，接电片的上端弯折延伸形成导电耳片43，导电耳片与对应的正极片、负极片螺栓固定；微孔陶瓷板40的侧面设有若干与介质槽连通的横向长槽孔44。
电池壳体1的底部设有底座11，底座11与电池壳体1之间形成散热腔12；微孔陶瓷板40的下端延伸形成伸入散热腔内的散热片400，散热片与微孔陶瓷板的下端之间形成阶梯，散热片400的表面设有陶瓷釉封闭绝缘涂层401，散热腔12的四个侧面均设有与外界连通的散热槽孔120，底座11的底面设有若干排水孔110；电池壳体1的外侧面设有若干横向排布的散热翅片100。
一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，还包括正极板组件的制备工艺，包括以下步骤：a、制备孔隙率为55%-65%、微孔孔径为220μm-300μm的微孔陶瓷板，将石墨烯粉末、亲水表面活性剂加入水中搅拌形成石墨烯悬浮液，将石墨烯悬浮液注入微孔陶瓷板中，直至微孔陶瓷板其它侧面有石墨烯悬浮液溢出停止；b、将微孔陶瓷板放入煅烧炉内在氩气保护下进行煅烧，煅烧后冷却；重复步骤a两次，使得微孔陶瓷板的微孔孔壁、外表面形成石墨烯颗粒层；c、将二氧化铅粉末放入酒精中搅拌形成二氧化铅悬浮液，将步骤b中制得的微孔陶瓷板浸入二氧化铅悬浮液中，外部用超声波对二氧化铅悬浮液进行震荡5-10min，取出微孔陶瓷板放入煅烧炉内在氩气保护下进行煅烧；d、重复步骤c两次后，将微孔陶瓷板装在离心机上，微孔陶瓷板整体浸入水中，外部用超声波震荡，通过离心机的离心力以及超声波的震荡去除残留在微孔中的未固定的二氧化铅粉末、石墨烯粉末；e、取出后烘干，制成所述的正极板组件。
步骤a中石墨烯粉末的粒度为50μm-80μm，以石墨烯悬浮液总质量计，石墨烯粉末的质量百分含量为4%-6%，亲水性表面活性剂的质量百分含量为3%-5.5%，余量为水；亲水性表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为52000-62000；步骤c中二氧化铅粉末的粒度为45μm-65μm。
负极板组件的制备工艺与正极板组件的制备工艺相同，区别在于：步骤c、步骤d中的二氧化铅粉末替换成铅粉末。
结合附图，本发明的原理如下：该种蓄电池中的正极板组件、负极板组件均以微孔陶瓷板为基体，强度高、表面积大，在微孔陶瓷板的表面积微孔中设置石墨烯颗粒层，使得微孔陶瓷基体具备良好的导电性能，最后将活性物质（正极板组件采用二氧化铅、负极板组件采用铅）附着在石墨烯颗粒层表面，该种正极板组件、负极板组件与电解液的接触面积非常大，在充放电过程中活性物质与电解液的反应非常快速，充放电效率高；而且微孔陶瓷板不易被电解液腐蚀，因此使用寿命长，同时微孔陶瓷板的密度比现有的栅架密度（通常为铅锑钙合金栅架，密度在7-12g/cm³；陶瓷没有孔隙状态下的密度为2.4-2.9g/cm³，微孔陶瓷板的密度小于2.4g/cm³）要小很多，因此整个蓄电池的质量显著降低；而且正极板组件、负极板组件上的活性物质的含量比传统的铅酸蓄电池中的活性物质含量少很多（传统铅酸蓄电池极板内部的活性物质几乎不参与反应），节约了原料成本；传统的铅酸蓄电池中正负极板的使用寿命远大于电池的整体寿命，造成极大的浪费，本申请中的蓄电池内的正极板组件、负极板组件的使用寿命与整体使用寿命一致，更加合理。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出的简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，包括电池壳体、顶盖，其特征是，所述电池壳体内设有若干平行的负极板组件，相邻负极板组件之间均设有正极板组件，所述正极板组件与负极板组件之间、最外侧负极板组件与电池壳体的内壁之间均设有微孔隔板，微孔隔板内填充有电解液；所述的正极板组件、负极板组件均包括微孔陶瓷板、附着在微孔陶瓷板上的活性物质，其中正极板组件上的活性物质为二氧化铅，负极板组件上的活性物质为铅，所述微孔陶瓷板的微孔中及外表面均设有石墨烯颗粒层，所述的活性物质分布在石墨烯颗粒层的表面；所述电池壳体内位于负极板组件、正极板组件的上端处设有内盖板，正极板组件的上端均与正极片电连接，正极片上设有穿过顶盖的正极柱，所述负极板组件的上端均与负极片电连接，所述负极片上设有穿过顶盖的负极柱；
还包括正极板组件的制备工艺，包括以下步骤：
a、制备孔隙率为55%-65%、微孔孔径为220μm-300μm的微孔陶瓷板，将石墨烯粉末、亲水表面活性剂加入水中搅拌形成石墨烯悬浮液，将石墨烯悬浮液注入微孔陶瓷板中，直至微孔陶瓷板其它侧面有石墨烯悬浮液溢出停止；
b、将微孔陶瓷板放入煅烧炉内在氩气保护下进行煅烧，煅烧后冷却；重复步骤a两次，使得微孔陶瓷板的微孔孔壁、外表面形成石墨烯颗粒层；
c、将二氧化铅粉末放入酒精中搅拌形成二氧化铅悬浮液，将步骤b中制得的微孔陶瓷板浸入二氧化铅悬浮液中，外部用超声波对二氧化铅悬浮液进行震荡5-10min，取出微孔陶瓷板放入煅烧炉内在氩气保护下进行煅烧；
d、重复步骤c两次后，将微孔陶瓷板装在离心机上，微孔陶瓷板整体浸入水中，外部用超声波震荡，通过离心机的离心力以及超声波的震荡去除残留在微孔中的未固定的二氧化铅粉末、石墨烯粉末；
e、取出后烘干，制成所述的正极板组件。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，其特征是，所述微孔陶瓷板的中心设有介质槽，所述介质槽的上端开口处内设有接电片，所述接电片的上端弯折延伸形成导电耳片，所述导电耳片与对应的正极片、负极片螺栓固定。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，其特征是，所述微孔陶瓷板的侧面设有若干与介质槽连通的横向长槽孔。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，其特征是，所述电池壳体的底部设有底座，所述底座与电池壳体之间形成散热腔；所述微孔陶瓷板的下端延伸形成伸入散热腔内的散热片，所述散热片与微孔陶瓷板的下端之间形成阶梯，所述散热片的表面设有陶瓷釉封闭绝缘涂层，所述散热腔的四个侧面均设有与外界连通的散热槽孔。
5.根据权利要求4所述的一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，其特征是，所述底座的底面设有若干排水孔。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，其特征是，所述电池壳体的外侧面设有若干横向排布的散热翅片。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，其特征是，步骤a中石墨烯粉末的粒度为50μm-80μm，以石墨烯悬浮液总质量计，石墨烯粉末的质量百分含量为4%-6%，亲水性表面活性剂的质量百分含量为3%-5.5%，余量为水；亲水性表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为52000-62000。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯极板式铅酸蓄电池，其特征是，步骤c中二氧化铅粉末的粒度为45μm-65μm。
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