CN113861558A - 一种负极集流体用导电塑料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负极集流体用导电塑料及其制备方法和应用，所述负极集流体用导电塑料包括以下质量百分比的组分：聚丙烯35～45%、三元乙丙橡胶7～12%、丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯共聚物4～8%、马来酸酐0.5～1%、导电炭黑20～30%、导电碳纤维5～8%、超细氧化银1～3%、以及纳米级二氧化锡5～12%。本发明制备的负极集流体及电池，生产成本低，能量密度高，导电效果好。
Description
技术领域
本发明涉及铅酸蓄电池技术领域，具体地来说，涉及一种负极集流体用导电塑料及其制备方法和应用。
背景技术
铅酸蓄电池因性能稳定，安全性好，性价比高而得到广泛应用，但是，也应认识到，铅酸蓄电池因其重量比能量不高，在一些对重量比能量存在要求的领域的应用仍然受到限制。而近年来，国家在制定标准时，也对铅酸蓄电池的重量比能量提出了要求，例如，2017年制定的GB∕T 22199.1-2017《电动助力车用阀控式铅酸蓄电池第1部分：技术条件》明确了能量密度（即重量比能量）的要求，而在其上一版本GB∕T 22199-2008中则无对应技术标准的要求。
因此，近年来，各厂家纷纷研发高重量比能量的新电池产品，相应地，各厂家采用的技术路线主要有以下几种：
一是，通过改善活性物质的利用率，从属减少活性物质的使用量，同时提高蓄电池的实际容量，最终达到提升重量比能量的目的；然而，采用此方法仅仅能降低不足10%的活性物质使用量，更甚的是，降低活性物质的使用量会导致蓄电池的活性物质失效的比例明显提升，市场反馈不佳；
二是，研发复合导电塑料，通过改进负极集流体的重量及其导电性，以提高蓄电池的重量比能量；
比如，陈茂斌在《钒电池关键材料及外通道流量分配研究》一文中，公开了以高密度聚乙烯HDPE为导电塑料基体材料，加入苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯SEBS、炭纤维及导电炭黑制得高密度聚乙烯导电塑料；但是，此类高密度聚乙烯导电塑料加工不便，韧性不足，且对作为负极集流体的导电性提升效果一般，最终对蓄电池重量比能量的改善有限；
再比如，公开号CN102740985A为的中国专利文献，公开用于制造电池电极的方法和系统以及从其获得的装置，文中提出“所述基材包括选自由以下组成的组的聚合物：丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，聚丙烯(PP)，所述导电颗粒包含碳，所述碳包括选自由以下组成的组的碳形式：碳，炭黑，所述聚合物粘合剂选自由以下组成的粘合剂的组：三元乙丙橡胶(EPDM)，乙烯-马来酸酐共聚物”；该现有技术中制得的负极厚度较厚，导电性能一般，最终对蓄电池重量比能量的提升同样有限。
为此，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种负极集流体用导电塑料及其制备方法和应用，以解决上述背景技术中提出的现有负极集流体，其制备的蓄电池导电性能一般，重量比能量低，且制备成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种负极集流体用导电塑料，包括以下质量百分比的组分：聚丙烯35～45%、三元乙丙橡胶7～12%、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物4～8%、马来酸酐0.5～1%、导电炭黑20～30%、导电碳纤维5～8%、超细氧化银1～3%、以及纳米级二氧化锡5～12%；其中，所述导电炭黑的平均粒径D50不超过40nm，所述导电碳纤维的纤维长度为50～100μm，所述超细氧化银的平均粒径不超过1μm，所述纳米级二氧化锡的平均粒径D50不超过100nm。
本发明的第二方面提供上述负极集流体用导电塑料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将配方量的聚丙烯、三元乙丙橡胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和马来酸酐加入到研磨机中，研磨得到粉末，其中，所述粉末的细度为100%通过80目筛；
S2、将研磨得到的粉末转移到球磨机中，并向球磨机中加入配方量的导电炭黑、导电碳纤维、超细氧化银、纳米级二氧化锡，进行研磨2～4h，使其混合均匀，制备得到粗混料；
S3、最后，将粗混料添加到双螺杆挤出机中，进行熔融共混后挤出，冷却造粒，即制备得到负极集流体用导电塑料。
本发明的第三方面提供上述负极集流体用导电塑料在制备负极集流体上的应用，具体方法如下：
S1、将负极集流体用导电塑料通过压延的方式制备成0.8～1.2mm厚度的带状塑料件，并对带状塑料件的表面进行粗糙度处理，其中，所述粗糙度处理为辊压压花处理；
S2、通过冲网设备，将进行粗糙度处理后的带状塑料件冲压成网状结构的集流体；
S3、以网状结构的集流体为阴极，并在集流体的表面电镀1～3μm的铅层；
S4、对电镀后的集流体进行表面烘干处理，并将其卷绕式收集存放，最终得到成品负极集流体。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明导电塑料制备的负极集流体，相较于现有的负极集流体，在加工方便、制备成本低的同时，大幅度地降低了负极集流体的重量，负极集流体重量下降80%以上，从而极大地提高了蓄电池的重量比能量；
2、本发明中，各组分均匀地分散在负极集流体用导电塑料中，尤其是马来酸酐、聚丙烯塑料、三元乙丙橡胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物三者的融和效果极好，且配合添加有超细氧化银和纳米级二氧化锡，最终形成共混改性的聚乙烯导电塑料，从而使聚乙烯导电塑料具有优越的导电性能，进一步保证了蓄电池的重量比能量的提高；
3、本发明中在制备的集流体表面进行粗糙度处理，同时电镀1～3μm的合适厚度的铅层，有效地增强了负极集流体与活性物质之间的结合力，降低了蓄电池的接触电阻，从而进一步提升了负极集流体乃至蓄电池的导电效果，延长了蓄电池的循环使用寿命。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
蓄电池的制备：
步骤一、按聚丙烯（PP）40%、三元乙丙橡胶（EPDM）10%、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）5%、马来酸酐（MAH）0.5%、导电炭黑30%、导电碳纤维5%、超细氧化银3%、以及纳米级二氧化锡7.5%进行配料；
聚丙烯符合GB/T 12670-2008中挤出薄膜类聚丙烯树脂中的PP-H等级要求；三元乙丙橡胶为美国陶氏/3670橡胶；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）符合GB/T 12672-2009中ABS，MN，095-30-16-15标号要求；马来酸苷（MAH）的含量（以C4H2O3计）≥97%；导电炭黑的平均粒径D50≤40nm；导电碳纤维的纤维长度为50～100μm；超细氧化银的平均粒径≤1μm；纳米级二氧化锡的平均粒径D50≤100nm；
步骤二、将聚丙烯、三元乙丙橡胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和马来酸酐加入到研磨机中，研磨得到粉末，其中，粉末的细度为100%通过80目筛；
步骤三、将研磨得到的粉末转移到球磨机中，并向球磨机中加入导电炭黑、导电碳纤维、超细氧化银、纳米级二氧化锡，进行研磨2～4h，使其混合均匀，制备得到粗混料；
步骤四、最后，将粗混料添加到双螺杆挤出机中，进行熔融共混后挤出，冷却造粒，即制备得到负极集流体用导电塑料；
步骤五、将负极集流体用导电塑料通过压延的方式制备成0.8～1.2mm厚度的带状塑料件，并对带状塑料件的表面进行辊压压花处理；
步骤六、通过冲网设备，将进行粗糙度处理后的带状塑料件冲压成网状结构的集流体；
步骤七、以网状结构的集流体为阴极，并在集流体的表面电镀1～3μm的铅层；
步骤八、对电镀后的集流体进行表面烘干处理，并将其卷绕式收集存放，最终得到成品负极集流体；
步骤九、使用上述制备得到的负极集流体，通过铅酸蓄电池现有的制备工艺，完成后续的生产制造。
实施例2
本实施例中负极集流体用导电塑料的配方量不同，即：聚丙烯（PP）45%、三元乙丙橡胶（EPDM）8%、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）5%、马来酸酐（MAH）1%、导电炭黑25%、导电碳纤维6%、超细氧化银2%、以及纳米级二氧化锡8%。
其余制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例中负极集流体用导电塑料的配方量不同，即：聚丙烯（PP）45%、三元乙丙橡胶（EPDM）7%、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）4%、马来酸酐（MAH）1%、导电炭黑20%、导电碳纤维8%、超细氧化银1%、以及纳米级二氧化锡5%。
其余制备方法同实施例1。
实施例4
本实施例中负极集流体用导电塑料的配方量不同，即：聚丙烯（PP）35%、三元乙丙橡胶（EPDM）12%、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）6%、马来酸酐（MAH）0.5%、导电炭黑25%、导电碳纤维7.5%、超细氧化银2%、以及纳米级二氧化锡12%。
其余制备方法同实施例1。
实施例5
本实施例中负极集流体用导电塑料的配方量不同，即：聚丙烯（PP）38%、三元乙丙橡胶（EPDM）8%、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）8%、马来酸酐（MAH）1%、导电炭黑25%、导电碳纤维7%、超细氧化银2%、以及纳米级二氧化锡11%。
其余制备方法同实施例1。
将实施例1～5制备的蓄电池与市售同型号电池，按GB∕T 22199.1-2017中5.8能量密度试验的程序进行应用测试对比，最终的测试数据如表1所示：
综上，由上述检测结果可知，本发明制备的负极集流板重量约为市售的铅基合金做负极集流板重量的13.3%，重量明显降低，蓄电池重量比能量最低提高2.8Wh/kg。
Claims (9)
1.一种负极集流体用导电塑料，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：聚丙烯35～45%、三元乙丙橡胶7～12%、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物4～8%、马来酸酐0.5～1%、导电炭黑20～30%、导电碳纤维5～8%、超细氧化银1～3%、以及纳米级二氧化锡5～12%。
2.根据权利要求1所述的一种负极集流体用导电塑料，其特征在于，所述导电炭黑的平均粒径D50小于等于40nm。
3.根据权利要求1所述的一种负极集流体用导电塑料，其特征在于，所述导电碳纤维的纤维长度为50～100μm。
4.根据权利要求1所述的一种负极集流体用导电塑料，其特征在于，所述超细氧化银的平均粒径小于等于1μm。
5.根据权利要求1所述的一种负极集流体用导电塑料，其特征在于，所述纳米级二氧化锡的平均粒径D50小于等于100nm。
6.权利要求1～5任一项所述的一种负极集流体用导电塑料的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
S1、将配方量的聚丙烯、三元乙丙橡胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和马来酸酐加入到研磨机中，研磨得到粉末；
S2、将研磨得到的粉末转移到球磨机中，并向球磨机中加入配方量的导电炭黑、导电碳纤维、超细氧化银、纳米级二氧化锡，进行研磨2～4h，使其混合均匀，制备得到粗混料；
S3、最后，将粗混料添加到双螺杆挤出机中，进行熔融共混后挤出，冷却造粒，即制备得到负极集流体用导电塑料。
7.根据权利要求6所述的一种负极集流体用导电塑料的制备方法，其特征在于，所述粉末的细度为100%通过80目筛。
8.权利要求1～5任一项所述的一种负极集流体用导电塑料或权利要求6～7任一项所述的制备方法制得的负极集流体用导电塑料在制备负极集流体上的应用，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将负极集流体用导电塑料通过压延的方式制备成0.8～1.2mm厚度的带状塑料件，并对带状塑料件的表面进行粗糙度处理；
S2、通过冲网设备，将进行粗糙度处理后的带状塑料件冲压成网状结构的集流体；
S3、以网状结构的集流体为阴极，并在集流体的表面电镀1～3μm的铅层；
S4、对电镀后的集流体进行表面烘干处理，并将其卷绕式收集存放，最终得到成品负极集流体。
9.根据权利要求8所述的一种负极集流体用导电塑料在制备负极集流体上的应用，其特征在于，所述粗糙度处理为辊压压花处理。
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