專利名稱：鉛酸蓄電池鈦基泡沫鉛正負(fù)電極板柵材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與蓄電池的電極有關(guān)，特別與鉛酸蓄電池電極載體材料有關(guān)，也與載體的制造方法有關(guān)。
背景技術(shù)：
眾所周知，鉛酸蓄電池以其優(yōu)良的性能和綜合優(yōu)勢，主導(dǎo)著世界蓄電池產(chǎn)業(yè)，在電動汽車、混合動力車、風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池以及電力蓄能電池等方面，鉛酸蓄電池仍然列為首選電源和不可替代的電源電池。然而，鉛酸蓄電池本身存在許多不足，特別是體積大、重量重，活性物質(zhì)有效率低，重量比能量低(平均30-40Wh/kg)是其最大的不足和缺點(diǎn)。為了提高鉛酸蓄電池的性能，世界各國從板柵材料和電池結(jié)構(gòu)方面入手，相繼發(fā)明一些新型板柵材料如銅拉網(wǎng)板柵、鉛布等，其重量比能量可以提高到50Wh/kg，這些研究成果將鉛酸電池性能向前推進(jìn)一步，但增長幅度有限，不能滿足大功率、高比能量的要求。近年來，我國鉛酸電池的研究有了較大的進(jìn)展，在電池電極板柵材料方面取得了不少的成果，例如中國專利96110730.8號“鉛酸蓄電池負(fù)極泡沫鉛板柵的制作方法”、03132621.8號“鉛酸電池?zé)峤兣菽U板柵及其制作方法”、200510127392.9號“泡沫鉛負(fù)極板柵卷繞鉛酸電池及制備方法”等。這些方法均有增加蓄電池比能量的效果，與傳統(tǒng)板柵比較比能量提高了30％，但這些材料僅限于負(fù)極使用，無法用于正極；同時還存在銅析出等諸問題，難以實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過優(yōu)選確定鉛酸電池最佳電極板柵金屬元素，研究開發(fā)鉛酸蓄電池鈦基泡沫鉛正負(fù)極板柵材料，從根本解決鉛酸電池重量大，活性物質(zhì)有效率低，比能量小的關(guān)鍵難題。
本發(fā)明的又一目的在于提供上述鉛酸蓄電池正負(fù)極板柵材料的制造方法，使其具有滿足電動汽車、蓄能電池等對高比能量、大功率電源要求的性能。
發(fā)明人指出在鉛酸電池中，正極工作條件非常特殊，因此正極板柵材料的技術(shù)要求極為苛刻，要提高鉛酸電池比能量，關(guān)鍵在于正確選擇正極的金屬元素和板柵材料的結(jié)構(gòu)形式和功能。發(fā)明人通過優(yōu)選確定鈦是鉛酸電池最佳電極板柵金屬元素。鈦是具有神奇般性能的金屬，其重量只有鋼鐵的一半，但比強(qiáng)度則是鋼鐵的一倍，是純鋁的五倍；它的機(jī)械強(qiáng)度大，可塑性好，耐酸耐堿，抗蝕性強(qiáng)，耐高溫，耐超低溫，無磁性等優(yōu)良性能，完全可以滿足鉛酸電池電極板柵材料的技術(shù)要求。
發(fā)明人通過長期的反復(fù)試驗研究確定正極的金屬元素是鈦，發(fā)明了以鈦或鈦合金制成的管狀結(jié)晶、具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫鈦為基架，在此基架上電鍍二氧化鉛或純鉛，所得到的新型鉛酸蓄電池正負(fù)電極板柵材料。所用的泡沫鈦是一種具有超輕、高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、抗腐蝕、高孔隙率，比面積大，填充裝載力強(qiáng)、高效儲能、資源節(jié)約型的功能性電極材料，是目前最理想的電極金屬基架材料；發(fā)明人提供制造鉛酸蓄電池鈦基泡沫鉛正負(fù)極板柵材料的具體方法包括①取四氯化鈦和鎂為原料，在還原爐中，鎂將四氯化鈦中的鈦還原，經(jīng)過真空蒸餾冶煉，冷凝結(jié)晶形成泡沫鈦；②將泡沫鈦切割成形；③將成形的泡沫鈦去除鈍化膜進(jìn)行活化處理；④在泡沫鈦表面鍍高導(dǎo)電層；⑤對已鍍高導(dǎo)電層的泡沫鈦基架進(jìn)行熱處理；⑥在基架上鍍二氧化鉛得到鈦基泡沫鉛正極板柵材料，或鍍純鉛得到鈦基泡沫鉛負(fù)極板柵材料。
上述過程的第一步中，所述泡沫鈦是管狀結(jié)晶具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫金屬，其結(jié)構(gòu)材料技術(shù)指標(biāo)為孔隙率≥80％；重量較傳統(tǒng)鉛合金板柵降低90％；面密度≤1000g/m2；比面積較傳統(tǒng)鉛合金板柵增大10-20倍。
上述過程的第二步中，泡沫鈦的切割是采用數(shù)控線切割技術(shù)進(jìn)行的。
上述過程的第三步中，所述泡沫鈦的活化處理是在真空條件下通過浸蝕工藝將鈦表面鈍化膜(氧化膜)去除，然后鍍活性膜，提高鈦基與鍍層的親和力。
上述過程的第四步中，在表面鍍純銀或銀鉛合金而使泡沫鈦獲得高導(dǎo)電層。
上述第五步中，泡沫鈦基架熱處理是在電爐內(nèi)進(jìn)行的，對于鍍銀的泡沫鈦基架，熱處理溫度為600-800℃，對于鍍銀鉛合金的泡沫鈦基架，熱處理溫度為170～220℃。
發(fā)明人指出，鈦是一種閥金屬，在常態(tài)下表面形成一層致密的、化學(xué)穩(wěn)定性高的鈍化膜(氧化膜)，因此必須將其去除并進(jìn)行活化處理，然后在表面鍍高導(dǎo)電層才能制成板柵材料；高導(dǎo)電鍍層以銀為佳，為了降低成本，也可以電鍍8％～15％的銀鉛合金；對泡沫鈦基架進(jìn)行熱處理的目的是使鈦、銀、鉛金屬的結(jié)合更為緊密。
通過該方法制造的鈦基泡沫鉛電極技術(shù)指標(biāo)為重量較傳統(tǒng)鉛合金電極板降低60-80％；活性物質(zhì)有效率為50％～90％；重量比能量較傳統(tǒng)鉛合金電極提高1-2倍，達(dá)到70-100Wh/kg。
本發(fā)明提供的鉛酸蓄電池正負(fù)板柵材料與傳統(tǒng)鉛合金板柵比較，重量只有傳統(tǒng)板柵的1/10～1/20，填充活性物質(zhì)后，電板重量只有傳統(tǒng)電極的1/2～1/3?；钚晕镔|(zhì)有效率可以從傳統(tǒng)的10％～50％提高到60％～90％，重量比能量從傳統(tǒng)的30～40Wh/kg提高到70～100Wh/kg，甚至可以達(dá)到120Wh/kg。隨著比能量的大幅提高，這種以鈦基泡沫鉛材料制成的新型鉛酸電池將完全可以滿足大功率車用電池以及發(fā)電廠、水電站、風(fēng)能、太陽能等蓄能的需要。


圖1為本發(fā)明提供的泡沫鈦三維結(jié)構(gòu)材料電子探針掃描圖。圖2為本發(fā)明提供的鉛酸蓄電池正負(fù)板柵材料制造方法框圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1取四氯化鈦和鎂為原料，在還原爐中，鎂將四氯化鈦中的鈦還原，其反應(yīng)溫度為750℃；再經(jīng)過真空蒸餾，真空度為0.1333～0.0013Pa(10-3～10-5mmHg柱)，蒸餾溫度為950～1000℃，冷凝結(jié)晶形成管狀的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫鈦；采用電切割技術(shù)將泡沫鈦切割成形；將成形的泡沫鈦去除鈍化膜并進(jìn)行活化處理，即在真空條件下通過浸蝕工藝將鈦表面鈍化膜(氧化膜)去除，然后鍍活性膜；之后在泡沫鈦表面鍍純銀；在電爐內(nèi)對已鍍高導(dǎo)電層的泡沫鈦基架進(jìn)行熱處理，熱處理為溫度700℃下處理10min；在基架上鍍二氧化鉛，得到正極板柵材料，鍍純鉛，得到負(fù)極板柵材料。
實(shí)施例2取四氯化鈦和金屬鎂為原料，在還原爐中，鎂將四氯化鈦中的鈦還原，反應(yīng)溫度為750℃；經(jīng)過真空蒸餾，真空度為0.1333～0.0013Pa(10-3～10-5mmHg柱)，冷凝結(jié)晶形成管狀的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫鈦；再采用數(shù)控線切割技術(shù)將泡沫鈦切割成形；將成形的泡沫鈦去除鈍化膜并進(jìn)行活化處理，即在真空條件下通過浸蝕工藝將鈦表面鈍化膜(氧化膜)去除，然后鍍活性膜；之后在泡沫鈦表面鍍含銀11％的銀鉛合金；在電爐內(nèi)對已鍍高導(dǎo)電物質(zhì)的泡沫鈦基架進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為200℃；在基架上鍍二氧化鉛，得到正極板柵材料，鍍純鉛，得到負(fù)極板柵材料。
權(quán)利要求
1一種鉛酸蓄電池鈦基泡沫鉛正負(fù)極板柵材料，其特征在于該材料是以鈦或鈦合金制成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫鈦為基架，在此基架上電鍍二氧化鉛或純鉛，所得到的新型鉛酸蓄電池正負(fù)電極板柵材料。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述材料的制造方法，其特征包括①取四氯化鈦和鎂為原料，在還原爐中，鎂將四氯化鈦中的鈦還原，經(jīng)過真空蒸餾冶煉，冷凝結(jié)晶形成泡沫鈦；②將泡沫鈦切割成形；③將成形的泡沫鈦去除鈍化膜進(jìn)行活化處理；④在泡沫鈦表面鍍高導(dǎo)電層；⑤對已鍍高導(dǎo)電層的泡沫鈦基架進(jìn)行熱處理；⑥在基架上鍍二氧化鉛得到鈦基泡沫鉛正極板柵材料，或鍍純鉛得到鈦基泡沫鉛負(fù)極板柵材料。
3根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于所述過程的第一步中，所述泡沫鈦是具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫金屬，其結(jié)構(gòu)材料技術(shù)指標(biāo)為孔隙率≥80％；重量較傳統(tǒng)鉛合金板柵降低90％；面密度≤1000g/m2；比面積較傳統(tǒng)鉛合金板柵增大10-20倍。
4根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于所述過程的第二步中，泡沫鈦的切割是采用數(shù)控線切割技術(shù)進(jìn)行的。
5根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于所述過程的第三步中，泡沫鈦的活化處理是在真空條件下通過浸蝕工藝將鈦表面鈍化膜去除，然后鍍活性膜。
6根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于所述過程的第四步中，所述高導(dǎo)電層是在表面鍍純銀或銀鉛合金。
7根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于所述過程的第五步中，泡沫鈦基架熱處理是在電爐內(nèi)進(jìn)行的，對于鍍銀的泡沫鈦基架，熱處理溫度為600-800℃，對于鍍銀鉛合金的泡沫鈦基架，熱處理溫度為170～220℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了鉛酸蓄電池鈦基泡沫鉛正負(fù)極板柵材料，該材料是以鈦或鈦合金制成的管狀結(jié)晶、具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫鈦為基架，在此基架上電鍍二氧化鉛或純鉛，所得的板柵材料。其制造方法包括①取四氯化鈦和鎂為原料，在還原爐中，鎂將四氯化鈦中的鈦還原，經(jīng)過真空蒸餾，冷凝結(jié)晶形成泡沫鈦；②將泡沫鈦切割成形；③將成形的泡沫鈦去除鈍化膜進(jìn)行活化處理；④在泡沫鈦表面鍍高導(dǎo)電層；⑤對已鍍高導(dǎo)電層的泡沫鈦基架進(jìn)行熱處理；⑥在基架上鍍二氧化鉛得到正極板柵材料，或鍍純鉛得到負(fù)極板柵材料。本發(fā)明解決了將金屬鈦用來制造電極板柵材料的難題，得到的材料具有重量輕、活性物質(zhì)有效率高、重量比能量高的優(yōu)點(diǎn)。以該材料將可生產(chǎn)大功率蓄電池。
文檔編號H01M4/82GK1988224SQ20061011023
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者徐宏力, 楊光棣, 徐曉云 申請人:徐宏力