一种铅炭储能电池及其生产方法.pdf

本发明公开了一种铅碳储能电池及其生产方法，该电池包括二氧化铅基正极板、电解质、隔板和海绵铅负极板，以及模压在正极板和负极板表面的铅炭模压层，所述铅炭模压层有以下组分构成：50～90%的铅、1～50%的高比表面积炭材料、0.1～5%的添加剂、0.5～2%的粘接剂。本发明通过模压成型的方法，将铅炭材料紧密的压接在固化好的极板上，使铅炭材料和极板之间形成分子级别的互相作用，制得中间是普通极板，表面被铅炭材料包裹的复合极板。此方法制得的复合极板，炭材料包裹在极板的表面，可以避免现有制备方法中炭材料未被完全利用的弊端，从而实现电池性能的提高。

权利要求书1.  一种铅碳储能电池，其特征在于：包括二氧化铅基正极板、电解质、隔板和海绵铅负极板，以及模压在正极板和负极板表面的铅炭模压层，所述铅炭模压层由以下组分构成：50～90%的铅、1～50%的高比表面积炭材料、0.1～5%的添加剂、0.5～2%的粘接剂。2.  根据权利要求1所述铅炭储能电池，其特征在于：所述高比表面积炭材料为活性炭、活性炭纤维、炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的混合物。3.  根据权利要求1所述铅炭储能电池，其特征在于：所述添加剂为硫酸钡、木素磺酸钠、腐殖酸、木素、氧化锌、稀土氧化物中的一种或几种。4.  根据权利要求1所述铅炭储能电池，其特征在于：所述粘接剂为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯粉末或其乳液的一种或几种。5.  一种权利要求1～4任一所述铅炭储能电池的生产方法，其特征在于包括以下步骤：（1）铅炭模压层材料制备：将铅粉、高比表面积炭材料、添加剂和粘接剂按比例干混均匀，然后加水搅拌均匀，再次缓慢加入硫酸溶液，搅拌混合均匀，待用；（2）常温下，将步骤（1）得到的铅炭模压层材料放在正极板和负极板表面，并在正极板和负极板的两侧设置聚酰亚胺薄膜，然后利用模压机压片成型；（3）压片成型的正极板和负极板在真空烘箱内在70±5℃下，烘干24小时以上；最后将正极板、负极板、隔板装配成电池。6.  根据权利要求5所述铅炭储能电池的生产方法，其特征在于：步骤（2）中模压机的压力为5MPa，保压时间为1～3分钟。

说明书一种铅炭储能电池及其生产方法
  
技术领域  
本发明属于铅酸蓄电池制造领域，尤其涉及铅炭电机的极板改进。
背景技术
近年来，能源问题和环境危机成为了人类面临的两大挑战，太阳能风能系统和电动车辆的发展是大势所趋。作为储能系统、电动车电源驱动系统中使用的铅酸蓄电池，由于其安全性好、价格便宜、可回收利用等优势而得到广泛应用。
铅酸蓄电池在高倍率部分电荷放电情况下，由于硫酸根离子的扩散限制，负极表面形成了一层致密的硫酸铅，硫酸盐导电性差，溶解度小，使得电子转移的有效面积减小，抑制了硫酸根离子向极板内部的扩散。循环过程中，粗大的硫酸铅晶体不断在极板表面积累，致使电池发生不可逆的硫酸盐化，造成电池容量下降，最终导致电池失效，使电池的寿命收到限制。因此，进一步提高铅酸蓄电池的比能量、比功率及使用寿命是铅酸蓄电池亟待解决的问题。
超级电容器作为一种新型的储能器件，具有传统电池不具备的优势：超级电容器的功率密度高，能提供瞬时大电流，在短时间内电流可以达到几百到几千安培，功率密度是电池的10至100倍；超级电容器的充放电效率高，可进行大电流充电，快速完成充电过程；超级电容器寿命长，其充放电循环次数在100000次以上。铅炭电池就是在传统铅酸电池的基础上，融合了铅酸电池和超级电容器两种储能原理，兼具两者优点的一种超级电池。
铅炭电池是将具有高比表面积的炭材料与铅酸电池的负极进行复合，以期结合铅酸电池和超级电容器的优点，改善电池性能。现有的制备铅炭电池的技术中，主要是将高比表面积的炭材料在铅膏和膏的过程中加入，与铅膏混合，之后涂板，烘干固化制成铅炭电池的极板。然而此种方法制得的铅炭电池的性能较普通铅酸电池并无大的改善甚至性能有所下降。导致铅炭电池性能提高不大的原因可能是：极板具有一定厚度，电池在充放电过程中，只有从极板表面到极板内部一定厚度范围内的活性物质被利用，若将炭材料与铅膏混合，会导致大量的炭材料被包裹在极板内部而有可能无法被利用，导致电池循环寿命提高不明显。
发明内容  
本发明所要解决的技术问题是提供一种铅炭储能电池及其生产方法，可以避免现有制备方法中炭材料未被完全利用的弊端，从而实现电池性能的提高。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种铅碳储能电池，包括二氧化铅基正极板、电解质、隔板和海绵铅负极板，以及模压在正极板和负极板表面的铅炭模压层，所述铅炭模压层由以下组分（质量比例）构成：50～90%的铅、1～50%的高比表面积炭材料、0.1～5%的添加剂、0.5～2%的粘接剂。
所述高比表面积炭材料为活性炭、活性炭纤维、炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的混合物。
所述添加剂为硫酸钡、木素磺酸钠、腐殖酸、木素、氧化锌、稀土氧化物中的一种或几种。
所述粘接剂为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯粉末或其乳液的一种或几种。
本发明另一目的是提供了一种上述铅炭储能电池的生产方法，包括以下步骤：
（1）铅炭模压层材料制备：将铅粉、高比表面积炭材料、添加剂和粘接剂按比例干混均匀，然后加水搅拌均匀，再次缓慢加入硫酸溶液，搅拌混合均匀，待用；
（2）常温下，将步骤（1）得到的铅炭模压层材料放在正极板和负极板表面，并在正极板和负极板的两侧设置聚酰亚胺薄膜，然后利用模压机压片成型；
（3）压片成型的正极板和负极板在真空烘箱内在70±5℃下，烘干24小时以上；最后将正极板、负极板、隔板装配成电池。
作为优选，步骤（2）中模压机的压力为5MPa，保压时间为1～3分钟。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明通过模压成型的方法，将铅炭材料紧密的压接在固化好的极板上，使铅炭材料和极板之间形成分子级别的互相作用，制得中间是普通极板，表面被铅炭材料包裹的复合极板。此方法制得的复合极板，炭材料包裹在极板的表面，可以避免现有制备方法中炭材料未被完全利用的弊端，从而实现电池性能的提高。
附图说明
图1为本发明所述铅炭储能电池的生产工艺流程示意图；
图2为本发明所述铅炭储能电池的寿命试验数据对比图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本发明通过铅炭混合极板，并与固化后的正负极板复合，从而抑制负极分发生不可逆的硫酸盐化，进而提高电池的容量和使用寿命。相对于现有技术中将铅炭材料直接与铅膏进行混合，一方面有利于硫酸电解质的渗透提高电池的充放电性能，另一方面使得铅炭材料在基板表面富集，能更加有效释放铅炭材料的效能。以下具体叙述本发明铅炭电池的生产方法： 
如图1所示，铅炭模压层材料的制备：先将6千克的铅粉和3千克的炭材料在研钵中掩膜至颗粒均匀，然后转入容器中，并加入0.5千克的乙炔黑，并搅拌混合5分钟；继续加入0.1千克的氧化锌、0.2千克的硫酸钡、0.2千克木素，以及0.1千克的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物并在搅拌机中继续搅拌5分钟；搅拌过程中加入适量的水和硫酸溶液，直到混合物的密度控制在4.5±0.1g/ml，备用。
然后取普通铅酸电池的正极板或负极板，将上述铅炭模压层材料置于正极板和负极板的表面上，用模压机在常温下冷压成型，使铅炭材料与正、负极板紧密结合在一起，模压机的压力控制在5～15MPa，保压1～3分钟，最后将极板在70℃下干燥24h以上。
最后，将得到正、负极板与AGM隔板、电解质一起装配在电池盒体中形成电池产品。
作为另选方案，高比表面积炭材料还可以使活性炭、活性炭纤维、炭黑、碳纳米管、石墨烯等；粘接剂可以为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯粉末或其乳液的一种或几种。
如图2所示，将本发明得到铅炭蓄电池与普通电池座寿命试验对比,发现普通电池在大约40次充放电循环后，电池容量由初始的100%下降至80%，而本发明铅炭蓄电池在充放电130次仍具有80%的电池容量。
本发明通过模压成型的方法，将铅炭材料紧密的压接在固化好的极板上，使铅炭材料和极板之间形成分子级别的互相作用，制得中间是普通极板，表面被铅炭材料包裹的复合极板。此方法制得的复合极板，炭材料包裹在极板的表面，可以避免现有制备方法中炭材料未被完全利用的弊端，从而实现电池性能的提高。