专利名称：一种蓄电池板栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池领域，特别涉及一种蓄电池板栅。
背景技术：
目前在铅酸蓄电池领域，所使用的铅钙合金蓄电池板栅与金属汇流排中含有大量的铅，在浇铸、化成、焊接阶段造成了重金属铅污染。另外，铅基活性物质的理论比能量为170w.h/kg，实际仅为理论比能量的1/5。比能量低的主要原因，一个是活性物质反应效率低于50 %且质量仅40 %，另一个是HS04_离子受极板厚度、材质制约，蓄电池板栅和其它非成流物质占近40 %，活性物质、蓄电池板栅质量、电解质密度之间的关系极不合理，如不从新材料、新工艺和新型结构设计的源头解决比质量、比体积、α、Y系数比，铅酸蓄电池的比能量是很难有所突破的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种无污染，提高电池比能量，提高活性反应物质和反应效率的蓄电池板栅。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案一种蓄电池板栅，其包括极耳或至少一个用于安装极耳的极眼，整体为多边形蜂窝结构，蓄电池板栅是用石墨金属共晶陶瓷加工而成，其中，石墨金属共晶陶瓷包括导电剂、陶瓷复合材料和介质材料，石墨金属共晶陶瓷按重量份计含有导电剂5 20份，陶瓷复合材料55 70份，介质材料5 15份。作为本发明的优选方案，导电剂是一种碳硅钛导电陶瓷，其万孔筛残余小于 0. 3%。作为本发明的优选方案，碳硅钛导电陶瓷按重量份计含有Ti 8 15份，C 35 55 份，Si 25 40 份。作为本发明的优选方案，碳硅钛导电陶瓷是以Ti、Si、C粉为初始原料，按 2.8 1.2 1的摩尔比球磨混合，以Al粉、Ni粉为反应助剂，在1250 1280摄氏度温度下烧制而成的。作为本发明的优选方案，陶瓷复合材料为介孔复合陶瓷，其万孔筛残余小于 0. 3%。 作为本发明的优选方案，陶瓷复合材料按重量份计含有二氧化硅46 62份，三氧化二铝9 18份，氧化镁3 9份，氧化钙12 18份。作为本发明的优选方案，所述陶瓷复合材料是通过将具有酸性位的石质材料按重量份计30 45份、高定向热解石墨按重量份计45 50份、超细碳化硅粉按重量份计10 20份球磨混合，得到混合物，然后将混合物在1300摄氏度温度下烧制而成的。作为本发明的优选方案，介质材料为羧甲基纤维素钠与聚乙烯醇(C2H4O)n的水溶液。
作为本发明的优选方案，介质材料是将重量份比为50 1 2.5 400 500的聚乙烯醇(C2H4O) n、羧甲基纤维素钠CMC、水混合搅拌加热至50 80摄氏度后冷却得到的。作为本发明的优选方案，蓄电池板栅形成蜂窝结构的孔包括六边形孔、五边形孔和/或四边形孔。用本发明的蓄电池板栅替代铅酸蓄电池中的铅钙合金蓄电池板栅，同时取代了铅金属汇流排，大大减少了铅酸蓄电池中的重金属铅的用量，大大减少了重金属污染。另外， 本发明的蓄电池板栅是铅钙合金蓄电池板栅质量的约20%，大大提高了极板反应物质(铅膏)和起承载导电作用蓄电池板栅的质量比。本发明的蓄电池板栅为多边形蜂窝结构，电化学反应为三维的，反应面积成倍提高。本发明的蓄电池板栅为多边形蜂窝结构，反应物嵌入蓄电池板栅之中，与蓄电池板栅形成一个牢固的整体，大大提高了反应物质和蓄电池板栅的牢固性，解决了铅酸蓄电池因震动而铅膏脱落问题。
图1为本发明的蓄电池板栅的示意图。附图标记说明极眼1，孔2。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加详细清楚，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。一种蓄电池板栅，其包括极耳或至少一个用于安装极耳的极眼，整体为多边形蜂窝结构，蓄电池板栅是用石墨金属共晶陶瓷加工而成，其中，石墨金属共晶陶瓷包括导电剂、陶瓷复合材料、介质材料，石墨金属共晶陶瓷按重量份计含有导电剂5 20份，陶瓷复合材料55 70份，介质材料5 15份。导电剂是一种碳硅钛导电陶瓷，其万孔筛残余小于0. 3% ；碳硅钛导电陶瓷按重量份计含有Ti 8 15份，C ；35 55份，Si 25 40份。碳硅钛导电陶瓷是以11、51、(粉为初始原料，按2.8 1. 2 1的摩尔比球磨混合，加入少量Al粉和/或Ni粉为反应助剂，反应助剂不超过总重量的百分之五，在1250 1280摄氏度温度下烧制成单相碳碳硅钛(Ti3SiC2)晶体。Ti3SiC2属六方晶系，空间群为P63/mm ；C晶格参数a = 0. 3068mm ；密度为4. 19g/ cm3，泊松比为0.2，导电率为4. 5X106S/m，导电率比纯金属钛高一倍，比石墨高两个数量级，并像金属一样有很好的导热性能，与酸性电解质几乎不发生任何反应。陶瓷复合材料为介孔复合陶瓷，其万孔筛残余小于0. 3% ；陶瓷复合材料按重量份计含有二氧化硅46 62份，三氧化二铝9 18份，氧化镁3 9份，氧化钙12 18份。陶瓷复合材料是通过将具酸性位的堇青石质材料(坯式为0.31&CK0.6R0、 0. 75-1. 5Α1203· 8-17Si02)按重量份计30 45份，高定向热解石墨按重量份计45 50份， 超细碳碳化硅粉按重量份计10 20份球磨混合，得混合物，然后将混合物在1300摄氏度温度下烧制而成的。此材料的三维开孔率达80-90%，真比重为1.8g/cm3，视密度仅为 0. 6g/cm3。在生长过程中，高定向热解石墨不参与烧结反应，与堇青石质陶瓷料仅形成固熔体，SiC微孔可形成开口液晶膜壁，作为HS04_嵌入的宿主和通道，形成CnHSO4. 2. 5H2S04嵌入化合物，极大地扩张了电极晶格，其液膜使电极内可驻留超比体积高密度电解液，从而优化了大电流充放电过程。同时，介孔除从隔膜吸液外，也为气体复合提供充裕的空间和催化条件，特别是对防止氧化、干涸、气胀、脱落起到了极大的作用。此外，此材料具有优良的化学稳定性，材料来源广泛，价格低廉，耐强酸腐蚀，陶瓷生产工艺成熟，配方合理。在生产用于制造本发明的蓄电池板栅的陶瓷复合材料的过程中，石质材料的重量份越高，所生产的蓄电池板栅的耐腐蚀性越好，强度越高，寿命越长；高定向热解石墨的重量份越高，所生产的蓄电池板栅的导电性能好，碳键结合紧密；超细碳化硅的重量份越高， 所生产的蓄电池板栅的孔隙体积越大，吸液性能越好。经测试，按重量份计，具酸性位的堇青石质材料30份，高定向热解石墨50份，超细碳化硅粉20份，生产得到的陶瓷复合材料后，再进一步制成的本发明的蓄电池板栅的抗压强度为30 50吨/平方厘米，导电率为 4. 5 X 106S/m ；具酸性位的堇青石质材料40份，高定向热解石墨50份，超细碳化硅粉10份， 生产得到的陶瓷复合材料后，再进一步制成的本发明的蓄电池板栅的抗压强度为阳 70 吨/平方厘米，导电率为4. 5 X 106S/m ；具酸性位的堇青石质材料40份，高定向热解石墨50 份，超细碳化硅粉10份，生产得到的陶瓷复合材料后，再进一步制成的本发明的蓄电池板栅的抗压强度为55 70吨/平方厘米，导电率为4. 5X 106S/m。作为本发明的优选实施例一，按重量份计，本发明的蓄电池板栅含有15份导电剂，70份陶瓷复合材料和15份介质材料，然后用于蓄电池，经过测试，蓄电池的内阻为 150-200 (m Ω )/m，常温使用循环数为800-1200次，快速充电时间为1_2小时。作为本发明的优选实施例二，按重量份计，本发明的蓄电池板栅含有20份导电剂，65份陶瓷复合材料和15份介质材料，然后用于蓄电池，经过测试，蓄电池的内阻为 100-150 (m Ω )/m，常温使用循环数为800-1000次，快速充电时间为1-1. 5小时。作为本发明的优选实施例三，按重量份计，本发明的蓄电池板栅含有20份导电剂，70份陶瓷复合材料和10份介质材料，然后用于蓄电池，经过测试，蓄电池的内阻为 100-150 (m Ω ) /m,常温使用循环数为800-1200次，快速充电时间为1-1. 5小时。用本发明的三个优选实施例所制造的蓄电池与其它种类同容量蓄电池比较如下表所示
电池种类镉镍镍氢密封铅酸锂聚合物优选实施例一优选实施例二优选实施例三内阻(πιΩ )100-200200-300<100200-300,150-200100-150100-150常温使用循环数，次 (降至初始容量80%)500-1200400-600300-500300-500S00-1200800-1000800-1200快速充电时间/h1-32-42-52-41-21-1. 51-1. 5由上表可以看出，与其它种类同容量蓄电池相比，使用本发明板栅的蓄电池的内阻、常温使用循环次数、快速充电时间方面的性能都有所提高。随着导电剂含量的增加，蓄电池的内阻相应减小，快速充电时间也相应减小，但是对常温使用循环次数影响不大；随着陶瓷复合材料的份数减少，对内阻影响不大，但是对常温使用循环次数相应减少，快速充电时间也影响不大；随着介质材料的份数减少，蓄电池板栅的强度增强，对性能影响不大。
在本发明的一个实施方案中，将生成的单相碳碳硅钛经超细雷蒙物化粉碎过250 目筛，加粘接剂混合涂覆于复合陶瓷，再经1350°C高温烧结，形成大比表面积金属/石墨共晶导电界面层1000m2/g)，所生成的本发明的蓄电池板栅与活性物质的结合度和反应面积都得到了极大的增加，其中蓄电池板栅与蓄电池中反应物质的接触表面积大于600平方厘米。如图1所示，所得到的本发明的蓄电池板栅，整体为四边形，其上有6个极眼1，以便根据需要设置极耳，整体为四边形蜂窝结构，由孔陶瓷制备而成，还具有6 μ m-8 μ m厚的碳硅钛复合层，形成蜂窝的孔2是六边形、五边形或四边形。在本发明的另一个实施方案中，介质材料为羧甲基纤维素钠(CMC)与聚乙烯醇 (C2H4O)nW水溶液；介质材料是将重量份比为50 1 2.5 400 500的聚乙烯醇(C2H4O) n、羧甲基纤维素钠(CMC)、水混合搅拌加热至50 80摄氏度后冷却得到的。按重量份计将 5 20份导电剂，55 70份陶瓷复合材料，5 15份介质材料在高速搅拌下使各原料组分充分混合，然后造粒，置于磨具中冷压成型经1250 1350摄氏度高温烧结，得本发明的蓄电池板栅。作为一种优选，蓄电池板栅的质量小于35克，尺寸为193. 9mmX155. 3mmX4mm和 193. 9mmX 155. 3mmX 5mm。此外，用本发明的蓄电池板栅制作的二次电池采用了模块化设计，可按电池的外观大小进行组合或裁剪。同时又可按容量或电压大小进行组合或连接。综上所述，利用本发明的蓄电池板栅替代铅酸蓄电池中的铅钙合金蓄电池板栅， 同时取代了铅金属汇流排，减少了铅酸蓄电池中的重金属铅的用量(节约50-70%)。彻底消除了铅酸蓄电池生产过程中所产生的重金属铅污染。本发明的蓄电池板栅是铅钙合金蓄电池板栅质量的约20 %，大大减轻了极板反应物质(铅膏)和起承载、导电作用蓄电池板栅的质量比。铅酸电池中铅钙合金蓄电池板栅质量和反应物质铅膏的比为1 1.1 1.4，非金属蓄电池板栅则为1 8 12，这样铅酸蓄电池的质量比能量由35w. h/kg上升到60w. h/kg以上。质量比能量大大提高。铅酸蓄电池铅钙蓄电池板栅单片较薄(一毫米左右)，反应物质铅膏粘贴在其两面，电化学反应为二维的，在其两面反应，反应面积较小，反应效率约为30%左右。而本发明的蓄电池板栅为多边形蜂窝结构，最佳为六边形，电化学反应为三维的，反应面积成倍提高，反应效率提高到70%以上。铅酸蓄电池铅钙蓄电池板栅单片较薄(一毫米左右)，反应物质铅膏粘贴在其两面，为悬挂式结构。而本发明的蓄电池板栅为多边形蜂窝结构，最佳为六边形，反应物嵌入蓄电池板栅之中，与蓄电池板栅形成一个牢固的整体，大大提高了反应物质和蓄电池板栅的牢固性，解决了铅酸蓄电池因震动而铅膏脱落问题。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。
权利要求
1.一种蓄电池板栅，其特征在于，其包括极耳或至少一个用于安装极耳的极眼，整体为多边形蜂窝结构，所述蓄电池板栅是用石墨金属共晶陶瓷加工而成，其中，所述石墨金属共晶陶瓷包括导电剂、陶瓷复合材料和介质材料，所述石墨金属共晶陶瓷按重量份计含有导电剂5 20份，陶瓷复合材料55 70份，介质材料5 15份。
2.根据权利要求1所述的蓄电池板栅，其特征在于，所述导电剂是一种碳硅钛导电陶瓷，其万孔筛残余小于0.3%。
3.根据权利要求2所述的蓄电池板栅，其特征在于，所述碳硅钛导电陶瓷按重量份计含有Ti 8 15份，C ；35 55份，Si 25 40份。
4.根据权利要求3所述的蓄电池板栅，其特征在于，所述碳硅钛导电陶瓷是以Ti、Si、 C粉为初始原料，按2. 8 1.2 1的摩尔比球磨混合，以Al粉和/或Ni粉为反应助剂，在 1250 1280摄氏度温度下烧制而成的。
5.根据权利要求1所述的蓄电池板栅，其特征在于，所述陶瓷复合材料为介孔复合陶瓷，其万孔筛残余小于0.3%。
6.根据权利要求5所述的蓄电池板栅，其特征在于，所述陶瓷复合材料按重量份计含有二氧化硅46 62份，三氧化二铝9 18份，氧化镁3 9份，氧化钙12 18份。
7.根据权利要求6所述的蓄电池板栅，其特征在于，所述陶瓷复合材料是通过将具有酸性位的石质材料按重量份计30 45份、高定向热解石墨按重量份计45 50份、超细碳化硅粉按重量份计10 20份球磨混合，得到混合物，然后将混合物在1300摄氏度温度下烧制而成的。
8.根据权利要求1所述的蓄电池板栅，其特征在于，所述介质材料为羧甲基纤维素钠与聚乙烯醇的水溶液。
9.根据权利要求8所述的蓄电池板栅，其特征在于，所述介质材料是将重量份比为 50 1 2.5 400 500的聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、水混合搅拌加热至50 80摄氏度后冷却得到的。
10.根据权利要求1至9中任一所述的蓄电池板栅，其特征在于，所述蓄电池板栅形成蜂窝结构的孔包括六边形孔、五边形孔和/或四边形孔。
全文摘要
本发明公开了一种蓄电池板栅，该蓄电池板栅包括极耳或至少一个用于安装极耳的极眼，所述蓄电池板栅整体为多边形蜂窝结构，蓄电池板栅用石墨金属共晶陶瓷加工而成，其中，所述石墨金属共晶陶瓷包括导电剂、陶瓷复合材料和介质材料，所述石墨金属共晶陶瓷按重量份计含有导电剂5～20份，陶瓷复合材料55～70份，介质材料5～15份。用本发明的蓄电池板栅替代铅酸蓄电池中的铅钙合金蓄电池板栅，同时取代铅金属汇流排，减少了铅酸蓄电池中的重金属铅的用量(节约50～70％)，消除了铅酸蓄电池生产过程中所产生的铅污染。本蓄电池板栅的质量是铅钙合金蓄电池板栅的20％，大大提高了极板反应物质和起承载导电作用蓄电池板栅的质量比。
文档编号H01M4/73GK102522566SQ20111042530
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者杨宇光 申请人:北京鸿源能信科技有限责任公司