CN1206937A

CN1206937A - 多孔耐酸合金与纤维复合极板基体

Info

Publication number: CN1206937A
Application number: CN97115181A
Authority: CN
Inventors: 蔡韵; 俞东平; 桂业炜; 吴菊倩
Original assignee: XINGDONG SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co SHANGHAI
Current assignee: XINGDONG SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co SHANGHAI
Priority date: 1997-07-29
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 1999-02-03

Abstract

一种多孔耐酸合金与纤维复合极板基体,采用球状或片状耐酸合金(NiCrMo系合金、Pb合金、Ti合金)粉末和纤维(碳纤维、玻璃纤维、金属纤维)复合制成的多孔复合极板基体,本发明所述的基体具有孔隙率大、密度小的特点,可减轻铅酸电池极板栅基体重量约2/3,比表面积大可增加活性物质与极板基体的接触面积和结合力,改善正负极板的集流导电性能和提高循环使用寿命和快速充电性能;采用本发明的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体制成铅酸动力电池可用作城市绿色交通工具如电动座式摩托车、电力助动车、电动自行车等的动力电源。

Description

多孔耐酸合金与纤维复合极板基体

本发明涉及的是一种多孔耐酸合金与纤维复合极板基体，具体地讲，本发明涉及的是一种由多孔耐酸合金基体并由纤维增强的用于铅酸动力电池的复合极板基体。

现有技术制造的密封、阀控铅酸电池(VRLA)大部分采用传统的Pb-Ca、Pb-Sb、Pb-Sn铸造板栅或高纯度铅板栅为正负极以支撑活性物质和集流导电。由于铅酸电池正负极板的活性物质为结合性能较差的铅和氧化铅的粉末颗粒，用带有横竖筋条的板栅来支撑活性物质并把活性物质制成铅膏涂敷于板栅表面，使活性物质与板栅之间略为增加一些接触面积，板栅和活性物质铅膏一起组成铅酸电池的正负极板，极板各处电流汇集到极耳处则主要通过各个筋条完成。

近几年，铅酸电池在活性物质铅粉的制造技术、铅合金板栅的合金成份和制造技术、隔离材料、电解液的配方以及壳体结构各个方面都有很大改进，并大量推广密封、阀控铅酸电池(VRLA)，取得很大进展，但因比能量小、比功率小、循环使用寿命较短、快速充电等综合性能还不能适应电动座式摩托车、电力助动车、电动自行车等电动车作为动力电源的要求。

美国先进铅酸电池联合会(ALABC)对用于电动车用的铅酸电池提出的改进的指标为：

1、比能量50Wh/kg，100Wh/l(C/3放电)；

2、比功率＞200W/kg，＞500W/l；

3、循环寿命500周，三年使用期；

4、充电时间为50％ 5分钟，80％ 15分钟；

5、价格约$150/kwh(C/3放电)；

从上述的指标可以看出，现有的铅酸电池的各项指标与上述指标相去甚远。

本发明的目的是提供一种可以提高铅酸电池比能量和比功率，延长循环使用寿命并可进行快速充电等综合性能优良的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体。

本发明所述的基体可把密封、阀控铅酸电池发展成为新型铅酸动力电池，所述的电池可广泛用于电动自行车、电力助动车、电动座式摩托车，以及电动高尔夫车等电动车作为动力电源。

本发明的目的可以通过以下途径得以实施：

把经过予处理的纤维(碳纤维、玻璃纤维、金属纤维)与耐酸合金粉末(NiCrMo系合金，Pb合金、Ti合金)，采用现代粉末冶金技术制成多孔耐酸合金与纤维复合极板基体，取代传统的铸造铅合金板栅或高纯铅(99.99％)板栅。

本发明所述的多孔复合极板基体，孔隙率大，密度小，可减轻铅酸电池极板栅基体重量约2/3，增加活性物质与极板基体的接触面积和结合力，改善集流导电性能。

下面是附图说明，通过说明并结合以下的基体描述，可以清楚的理解本发明的技术内容，其中：

附图一是本发明所述的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体的基本制造工艺流程；

附图二是本发明所述的多孔铅合金与纤维复合极板基体的制造工艺的流程图；

附图三是本发明所述的基体被用于电池后电池结构的剖视图；

本发明所述的多孔耐酸合金的基体采用耐硫酸腐蚀的NiCrMo系或Ti合金为球状粉末，而Pb合金可用球状粉末，也可用片状粉末。

本发明所述的球状和/或片状粉末优选采用CN95109468.8所述的方法和CN92242669.4所述的装置生产。

所有金属粉末都必须筛分分级。以利控制多孔耐酸合金基体的孔隙率和孔径尺寸。

填充剂重量比例为5-30％，选用在预烧一烧结过程中可完全挥发的金属无机盐类填充剂(碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢钠、松香等)。

金属粉末和填充剂在V型不锈钢混料器中，充分混合均匀。

经予处理的纤维(金属纤维或碳纤维)按配制比例与合金粉末、填充剂的混合物等均匀放入模具中轻压成型(压力500-2000kg/cm²)，在有保护气氛的连续烧结炉中进行预烧结，然后烧结制取多孔耐酸合金与纤维复合极板基体。

多孔铅合金与纤维复合极板基体的制造工艺的基本流程如图2，用于多孔铅合金与纤维复合极板基体的玻璃纤维、碳纤维，需进行表面予处理如化学镀Pb合金。以提高纤维与基体金属的结合力。

多孔钛合金与纤维复合极板基体的予烧、烧结，须在真空烧结炉中进行，以避免基体金属的氧化或脆化。

本发明所述的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体的孔隙率约为70-85％，孔径150-400μm，厚度0.5-3mm，密度3g/cm³左右，约为铅合金板栅的1/3左右。

本发明所述的基体具有良好的集流导电性能，用于制造12-24V，10-60AH铅酸动力电池的极板，可达到比能量40-45Wh/kg，比功率200-240W/kg(C3 80％DOD)，循环使用寿命400-500次，峰值电流95-280A(30秒)，快速充电10分钟充电50％，30分钟充电＞80％，可以用于电动座式摩托车、电力助动车、电动自行车等小型电动车作动力电源。

本发明所述的多孔铅合金与纤维复合极板基体也可制成网眼织物状多孔铅合金和纤维复合极板基体。即将经予处理的短纤维(玻璃纤维和碳纤维)与铅合金粉末混合均匀，成型、烧结制成铅合金和纤维复合坯，加热挤压、轧制、拉丝，使混乱取向的短纤维，定向排列成为截面均匀的复合材料丝材，再编织成为网眼织物状多孔铅合金和纤维复合极板基体。可以用来制作大容量铅酸动力电池的极板。

实施例1

本实施例采用耐酸合金与纤维增强的形式制取多孔复合基体，其中，耐酸合金基体采用耐硫酸腐蚀的NiCrMoCu系球状合金粉末，所述的NiCrMoCu系球状合金中，Ni的含量约为17-30％，Cr的含量约为12-22％，Mo的含量约为1.5-4.0％，Cu的含量约1.8-4.0，Mn的含量约1.0-2.0，另外还含有微量的Ti和Nb，余量为Fe，其中，所述的合金中的C含量应该低于0.06，本实施例所采用的合金粉末采用CN95109468.8所述的方法和CN92242669.4所述的装置生产得到的，对得到的球状耐酸合金粉末按如下大小进行筛分分级：＜∮0.06、0.06-0.10、0.1-0.15、0.15-0.2、0.2-0.3、0.3-0.4mm等，将分级后的粉末备用，把合金重量的5-30％的金属无机盐类填充剂(碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢按、松香或其混合物)和球状耐酸合金粉末的配制料，在V型不锈钢混料器，充分混和均匀；再将配制好的基体合金粉末、填充料和经予处理的纤维(金属纤维或碳纤维)，均匀放入模具中轻压成型，予烧结，然后烧结(700-1100℃)制取多孔耐酸合金纤维复合基体。

在予烧---烧结时，金属填充物被分解或被炉内气体还原，金属盐中的非金属成分被挥发，而阻碍金属基体的孔隙收缩，而金属成分则被还原成金属，被还原的金属与基体金属熔合或基体金属中扩散；金属纤维则与基体金属形成冶金结合，增强金属基体并提高孔隙率。

多孔耐酸合金纤维复合基体的予烧和烧结，在氨分解气氛保护的连续式烧结炉中进行，也可在非连续烧结炉中，在保护气氛中进行予烧-烧结成为多孔耐酸合金与纤维复合基体，基体可随生产批量规模予以选定。

多孔耐酸合金与纤维复合极板基体厚度约0.5-3mm，宽度约60-150mm，长度约100-200mm，按铅酸动力电池的尺寸和容量大小推应，配备模具。

实施例2

本实施例是通过采用本发明所述的多孔耐酸合金与纤维复合基体制成铅酸动力电池极板的性能分析，进一步说明本发明所述的多孔复合极板基体的优点。

铅酸动力电池的基本结构如图3，包括：正极板(1)、负极板(2)、压紧板、隔离板(4)、电解液(5)、电池壳体(6)、盖体(7)、封结剂(8)、安全阀(9)、挠性联结器(10)、正极(11)、负极(12)等，上述结构是现有技术中铅酸电池的常规结构。

本实施例所述的电池，其正极板(1)和负极板(2)采用本发明所述的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体，活性材料采用具有良好活性的球状或片状铅粉粉末，所述粉末的颗度分布范围如下：+40目＜3％，+100目＜7％，～300目＞55％，氧化度60-80％，视密度1.5-1.8％/cm³，吸水率95-100ml/kg，并在正极铅膏中添加少量铅的氧化物，提高电池的容量和初始容量。在负极铅膏中添加少量NaHCO₃或NaCO₃提高负极板的孔隙率和高倍率放电性能。

本实施例所述的正极板(1)，负极板(2)采用具有良好活性和导电性能的导电材料作为导电添加剂，如高纯碳粉等，本实施例采用约15μm的超细黑珍珠碳黑和1-1.5％的碳纤维，有利于正负极板的集流导电，本实施例所述的超细碳黑的比表面积约1400-1500m²/g，密度约为150g/l。

球状或片状铅粉活性材料(90-95％)，导电材料、粘结剂的混合物(5-10％)以及去离子水、硫酸等高度混合，制成铅膏(糊)混合物，在连续涂敷机上，把铅膏(糊)混合物，控量挤压涂敷或滑动充填于多孔复合极板基体的孔隙与二个表面，经真空干燥制成生坯，再压制剪切成预定的规格。

把正、负极板生坯放入化成槽中，在硫酸水溶液中通入电流化成，使正极板的活性物质转化为PbO₂，负极板活性物质转化为海绵状金属Pb，然后水洗，浸硼酸，干燥，并将双片极板分为单片极板片，也可先组装成电池后进行闭口化成。

采用本实施例的正、负极板组装10-20V，10-60AH的铅酸动力电池的基本性能可达到比能量40-45Wh/kg；比功率200-240W/kg(80％DOD)；循环使用寿命400-500次；(C3 80％DOD)峰值电流95-280安培(30秒)，或155-460安培(80％DOD)；快速充电10分钟充电约50％，30分钟充电约80％。可用于电动座式摩托车、电力助动车、电动自行车、电动高尔夫车等作动力电池。

Claims

1、一种多孔耐酸合金与纤维复合极板基体，其特征在于所述的多孔复合极板基体包括多孔耐酸合金本体与纤维增强复合结构。

2、根据权利要求1所述的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体，其特征在于，所述的多孔耐酸合金包括耐硫酸腐蚀的球状或片状NiCrMo系合金、Pb合金、Ti合金系的基体合金；碳纤维、玻璃纤维、金属纤维选其一种，经予处理后制成具有多孔的多层纤维布或迷宫式纤维网状结构，并与耐酸合金基板粉末，填充剂、均匀分布于模具中，500-200kg/cm²压力，加压成型，然后在连续式烧结炉或非连续烧结炉中，在保护气氛或真空下，以600-1100℃温度范围进行予烧一烧结制成多孔耐酸合金与纤维复合极板基体。

3、根据权利要求1所述的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体的金属粉末，MiCrMo系合金基体是气雾化球状粉末，粉末颗粒范围，∮0.1-0.8mm。填充剂为碳酸铵，碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢铵、松香。在其中选用一种或一种以上的混合物，填充剂的重量比为5-30％。

4、根据权利要求1所述的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体，其特征在于，所述的多孔复合基体的孔隙率70-85％，孔径150-400μm，厚度0.5-3mm，密度3g/cm³左右，宽度60-150mm，长度100-200mm，可按不同容量的铅酸动力电池的要求，予以具体确定尺寸规格。

4、一种多孔耐酸合金与纤维复合极板基体，其特征在于，所述的耐酸合金为铅合金粉末，增强纤维为碳纤维或玻璃纤维的短纤维，混合均匀后，压制成型，烧结成铅合金与纤维复合的坯料，再加热挤压，轧制，拉丝使混乱取向的短纤维定向排列成为在截面均匀的复合材料丝材，再编织成为网眼布状的多孔铅合金与纤维复合极板基体。