本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种铅酸电池集流体、其制备方法、极板及铅酸电池。
背景技术：
铅酸电池在二次电池市场非常可观的份额，具有使用温度区间大、安全性高、性价比高等优点。现有铅酸电池技术中普遍使用高密度的铅合金作为板栅，造成电池重量大，比能量低。板栅是铅酸电池的集流体，活性材料发生电化学反应而产生的电流通过板栅收集再传导到外电路。因为板栅也是浸没在电解液当中，对材料的稳定性要求很高，铅在电化学特性方面符合要求。
在过去的几十年中，有大量新技术尝试对板栅材料的改进。例如，尝试使用泡沫石墨作为板栅，泡沫石墨具有大量的通孔，方便涂布电极材料，同时还具有导电性好，化学稳定性好，密度低的优点，在维持原有板栅功能的同时，降低板栅密度，增加铅酸电池的比能量。然而泡沫石墨由于脆性强，价格较高，至今应用不多。
技术实现要素：
有鉴于此，有必要提供一种能够降低脆性和制作成本，同时具有低密度、高导电性和高化学稳定性的集流体。
另，还有必要提供一种所述铅酸电池集流体的制备方法。
另，还有必要提供一种极板及铅酸电池。
一种铅酸电池集流体，所述集流体包括高分子材料及分散于所述高分子材料中的导电填料，所述导电填料包括碳材料。
进一步地，所述导电填料还包括负载于所述碳材料表面的金属纳米颗粒。
进一步地，所述金属纳米颗粒包括金属及金属合金中的至少一种。
进一步地，所述导电填料中的所述碳材料与所述金属纳米颗粒的质量比为20:1-2:1。
进一步地，所述高分子材料为热塑性材料和热固性材料中的至少一种。
进一步地，所述热塑性材料聚乙烯、聚丙烯及abs塑料中的至少一种；所述热固性材料为酚醛树脂及环氧树脂中的至少一种。
进一步地，所述碳材料包括石墨烯、碳纳米管及膨胀石墨中的至少一种。
进一步地，所述集流体中的所述导电填料的质量分数为1％-64％。
进一步地，所述集流体还包括一镀层，所述镀层包覆于所述高分子材料及所述导电材料形成的导电网络上，所述镀层包括铅或者铅合金中的至少一种。
一种所述铅酸电池集流体的制备方法，包括以下步骤：
混合所述导电填料及所述高分子材料，得到混合物，所述导电填料包括所述碳材料；以及
对所述混合物进行固化处理及成型处理，得到所述集流体。
进一步地，还包括对所述集流体的表面进行粗糙化处理的步骤。
进一步地，还包括对所述集流体的表面形成一镀层的步骤。
一种极板，所述极板包括所述集流体及负载在所述集流体上的活性材料。
一种铅酸电池，所述铅酸电池包括所述极板。
本发明所提供的铅酸电池集流体由高分子材料与导电填料结合而成，由低密度、低成本的材料取代高密度、高成本的铅板栅，既能够降低铅酸电池的质量，还能够降低电池的成本；同时，以高分子材料作为集流体的基体，有利于降低脆性，且化学惰性的高分子材料不易与电解液反应，从而增加了集流体的使用寿命。
如下具体实施方式进一步说明本发明。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。
本发明实施例提供一种集流体，所述集流体包括高分子材料及分散于所述高分子材料中的导电填料，所述导电填料包括碳材料。
其中所述高分子材料作为所述集流体的基体，高分子材料具有化学稳定性的特点，不易被电解液腐蚀，从而增加集流体的使用寿命，而且相较于传统的泡沫石墨具有较低的脆性。
所述高分子材料为热塑性材料和/或热固性材料中的至少一种。所述热固性材料包括，但不限于，聚乙烯、聚丙烯及abs塑料(即丙烯腈(a)-丁二烯(b)-苯乙烯(s)的三元共聚物)中的至少一种；所述热塑性材料包括，但不限于，酚醛树脂及环氧树脂中的至少一种。
在所述导电填料中，所述碳材料具有导电性，而且具有密度小、耐腐蚀、成本低等优点。由于所述碳材料具有较小的密度，有利于减小所述集流体的质量，从而减小铅酸电池的质量。
在本实施方式中，所述碳材料包括石墨烯、碳纳米管以及膨胀石墨中的至少一种。所述碳材料具有大量的空隙，使其具有较大的比表面积。所述碳材料的孔隙率达到30％～70％，比表面积为50m2/g～1500m2/g。碳材料分散于所述高分子材料中以后，基于碳材料的纳米结构和大表面积，使导电的填充材料非常细致的分布，形成细密的导电网络，从而充分利用碳材料的导电性。
优选地，所述碳材料具有多孔的片层结构，所述片层结构的碳材料有利于减小电子的传输路径，从而更有利于电子的传导，增加集流体的导电性。
进一步地，所述导电填料还包括金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒、所述碳材料与所述高分子材料共同混合组成所述集流体。所述金属纳米颗粒的添加，有效的改善导电界面，从而提高所述集流体的导电性。
所述金属纳米颗粒包括金属及金属合金中的至少一种，例如金属铅、金属银、金属镍、金属铜及铅合金等。其中，所述金属纳米颗粒可以填充于所述碳材料的空隙中。
优选地，所述导电填料为碳材料及金属纳米颗粒的复合材料，即所述金属纳米颗粒负载于所述碳材料上，例如纳米颗粒的金属银负载于石墨烯上、纳米颗粒的金属镍负载于膨胀石墨上。所述负载包括通过原位生长、化学法以及机械法等合成方法制备所述复合材料。
所述集流体中的导电填料的质量分数为1％-64％。在一具体实施例中，所述集流体中的导电填料的质量分数为3％，在另一具体实施例中，所述集流体中的导电填料的质量分数为15％。其中，所述导电填料的质量分数过低，所述集流体的导电性较弱；导电填料的质量分数过高，则高分子材料的质量分数过低，则不利于集流体成型。
所述导电填料中的碳材料与金属纳米颗粒的质量比为20:1-2:1。在一具体实施例中，所述碳材料与金属纳米颗粒的质量比为10:1，在另一具体实施例中，所述碳材料与金属纳米颗粒的质量比为2:1。所述碳材料与金属纳米颗粒的质量比过高，碳材料作为导电填料对集流体的导电性的提升作用有限；所述碳材料与金属纳米颗粒的质量比过低，则碳材料的含量较少，则碳材料形成的导电碳网络结构有限，导致电子传输的不连续性，从而不利于集流体导电性的提升。
所述金属纳米颗粒对所述碳材料形成的导电网络结构无破坏作用，所述高分子材料固化后，金属纳米颗粒衔接所述导电网络结构，搭建了导电桥梁，利用本身优良的导电性进一步增强导电网络结构的导电性。
在其他实施例中，所述集流体还包括一镀层，所述镀层包覆于所述高分子材料及所述导电填料形成的网络结构。所述镀层包括铅或者铅合金中的至少一种。镀层可以避免集流体中的高分子材料及导电填料直接接触电解液，通过对集流体的包覆，能够有效的降低电解液损耗，提升铅酸电池的循环寿命。
优选地，所述镀层的材质为铅，这是由于铅是铅酸电池最稳定的负极材料。
本发明实施例还提供一种极板，所述极板包括所述集流体及设置于所述集流体上的活性材料。所述极板包括正极板或者负极板，所述活性材料包括正极材料或者负极材料。
进一步地，可通过传统的焊接工艺、粘结等方法在所述集流体上制备引线。例如，在一具体实施例中，以铅为引线，用导电胶将所述引线粘结在所述集流体上。
本发明实施例还提供一种铅酸电池，所述铅酸电池包括所述正极板、所述负极板、以及设置于所述正极板与所述负极板之间隔膜及电解液。
在其他实施方式中，所述正极板与所述负极板共同组成一组电极板，所述铅酸电池包括多组电极板，所述电极板可串联连接，也可并联连接，从而形成铅酸电池组。串联连接可增加铅酸电池的电压范围，并联连接相当于增加铅酸电池正极板或者电极板上活性物质的量。
为本发明实施例提供的一种铅酸电池集流体的制备方法，包括以下步骤：
步骤s1：混合所述导电填料及所述高分子材料，得到混合物，所述导电填料包括所述碳材料；
步骤s2：对所述混合物进行固化处理及成型处理，得到所述集流体。
在步骤s1中，所述导电填料与高分子材料均匀混合，所述导电填料与所述高分子材料相互交融形成一导电网络结构。
优选地，所述导电填料还包括所述金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒与所述碳材料共同起到导电作用。
所述混合的方式包括多种方式，例如浸渍法、在气流磨中混合等。
在步骤s2中，所述固化处理，即施加一定的条件，使所述混合物中的高分子材料固化；所述成型处理，即对具有所述导电填料的固化后的所述高分子材料进行成型，从而形成所需规格的集流体。
进一步地，所述固化处理及成型处理可同时进行。
进一步地，成型处理步骤后，还包括对所述集流体的表面进行粗糙化处理步骤，即增加所述集流体表面的粗糙化程度，以增加摩擦力，从而增加所述集流体的表面吸附力，有利于活性材料的负载，降低极板的表面电阻。
进一步地，粗糙化处理步骤，还包括在所述集流体上形成所述镀层，所述镀层可通过电镀、化学镀、制备铅箔并包覆等方法形成于所述集流体上。
下面通过具体的实施例来对本发明进行具体说明。
实施例1
称取可膨胀石墨，高温膨胀后制成膨胀石墨，在模具中压成密度0.2g/cm3的压缩膨胀石墨。将所述压缩膨胀石墨与液态的环氧树脂混合后置于真空环境中，然后再加压，通过浸渍法使所述膨胀石墨与所述环氧树脂均匀混合得到混合物；将所述混合物固化得到集流体前驱体，用粗糙的砂轮除掉所述集流体前驱体表面不规则的形状，从而对所述集流体前驱体进行成型处理后置于醋酸铅溶液中，电镀10min，得到具有镀层的集流体。
将所述集流体完成涂膏、装配等工艺，制备成铅酸电池，其中装配工艺中，采用激光焊接将负极板与正极板进行串联或并联连接。
实施例2
称取膨胀石墨及纳米金属镍颗粒，所述膨胀石墨与所述金属镍的质量比为1:1，将所述膨胀石墨与所述金属镍置于气流磨中混合，然后将混合后的膨胀石墨及金属镍与聚丙烯混合，得到混合物，其中，膨胀石墨及金属镍占所述混合物总质量的15％；将所述混合物置于双螺旋挤出机中，并设置合适的温度，用梯子形模具直接挤出集流体前驱体；待所述集流体前驱体冷却后，将所述集流体前驱体分割成厚度为2mm的集流体。
其他步骤与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例3
称取石墨烯并分散于去离子水中，并加入硝酸银溶液及硼氢化钠溶液，所述硼氢化钠用于还原所述硝酸银得到金属银颗粒，所述金属银负载在所述石墨烯上，其中，所述金属银与石墨烯的质量比为1:10，经过水洗、过滤的步骤，得到洁净的金属银与石墨烯，并与粉体聚丙烯混合得到混合物，其中，金属银与石墨烯占所述混合物总质量的3％；将所述混合物置于可升温的3d打印机中，打印出所述集流体。
其他步骤与实施例1相同，这里不再赘述。
本发明所提供的铅酸电池集流体由高分子材料与导电填料结合而成，由低密度、低成本的材料取代高密度、高成本的铅板栅，既能够降低铅酸电池的质量，还能够降低电池的成本；同时，以高分子材料作为集流体的基体，有利于降低脆性，且化学惰性的高分子材料不易与电解液反应，从而增加了集流体的使用寿命。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。