鉛炭超級(jí)電池及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鉛酸蓄電池制造領(lǐng)域，主要涉及鉛炭超級(jí)電池極板的制造和改進(jìn)。
【背景技術(shù)】
[0002]能源問題和環(huán)境問題是當(dāng)今社會(huì)面臨的兩大挑戰(zhàn)，開發(fā)風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源以及發(fā)展電動(dòng)汽車等清潔能源交通工具是現(xiàn)代科技發(fā)展的主要方向。鉛酸蓄電池成本低廉，安全性高，容易回收利用，被廣泛應(yīng)用在儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)車電源系統(tǒng)等領(lǐng)域。
[0003]鉛酸蓄電池作為一種二次電池器件，在較小的充放電電流下具有較高的能量密度。然而在高倍率部分放電的情況下，鉛酸蓄電池的能量密度較小，這是因?yàn)榱蛩岣x子向鉛負(fù)極內(nèi)部擴(kuò)散速率有限，高倍率充放電會(huì)導(dǎo)致負(fù)極表面形成致密硫酸鉛層，減少了電化學(xué)反應(yīng)界面的面積，阻礙了反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，這就是負(fù)極的不可逆硫酸鹽化。在高倍率循環(huán)過(guò)程中，負(fù)極不可逆硫酸鹽化不斷發(fā)生，硫酸鉛晶體在負(fù)極板表面積累，導(dǎo)致電池容量衰減，最終使負(fù)極發(fā)生失效，電池壽命終止。降低負(fù)極不可逆硫酸鹽化的影響，提升鉛酸蓄電池的倍率性能，功率密度以及使用壽命，是鉛酸蓄電池制造領(lǐng)域亟待解決的問題。
[0004]超級(jí)電容器是一種新型的儲(chǔ)能器件，其儲(chǔ)能機(jī)理包括電化學(xué)雙電層電容機(jī)制和贗電容機(jī)制。電化學(xué)超級(jí)電容器依賴于高比表面積的電極材料，充電時(shí)通過(guò)電極表面的化學(xué)吸附和電化學(xué)反應(yīng)積累電荷并儲(chǔ)存能量。超級(jí)電容器具有高功率密度，放電電流可以達(dá)到千安培量級(jí)；其循環(huán)壽命可達(dá)100000次。電化學(xué)超級(jí)電容器的高功率密度，高循環(huán)壽命和良好的倍率性能可以與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池相結(jié)合，彌補(bǔ)鉛酸電池的劣勢(shì)，獲得具有高功率密度和高能量密度的鉛炭超級(jí)電池。
[0005]鉛炭超級(jí)電池的生產(chǎn)方法，是將具有高比表面積的炭材料與鉛酸蓄電池的極板復(fù)合，組成鉛炭極板。在充放電過(guò)程中，鉛炭極板同時(shí)具有鉛極板的電池特性和活性炭材料的電容特性，兩者特性充分結(jié)合，可以改善鉛酸蓄電池性能。目前的鉛炭電池生產(chǎn)中，主要是在鉛膏和膏工藝中將高比表面積炭材料加入，使用均勻混合了炭材料的鉛膏進(jìn)行涂板，烘干固化之后制備成內(nèi)混式鉛炭電池極板。但是，這種工藝制備的鉛炭電池相比未混合炭材料的普通鉛酸電池，性能并沒有明顯提升。內(nèi)混式鉛炭電池極板的問題在于:炭材料被包裹在極板內(nèi)部，不能完全接觸電解液，另外不可逆硫酸鹽化也會(huì)降低炭材料與電解液的接觸，導(dǎo)致高比表面的炭材料不能被完全利用；炭材料表面疏水，而鉛酸蓄電池電解液為水系溶液，炭材料與電解液之間不易形成良好的界面；炭表面的不親和性還會(huì)導(dǎo)致極板活性物質(zhì)的結(jié)合力較差，在循環(huán)過(guò)程中鉛炭活性物質(zhì)容易脫落，最終導(dǎo)致循環(huán)性能下降；炭材料的混合降低了極板內(nèi)鉛活性物質(zhì)的含量，限制了鉛炭電池的容量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種鉛炭超級(jí)電池的生產(chǎn)方法，提高鉛炭電池中炭材料的利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池功率密度和循環(huán)壽命的提高。
[0007]技術(shù)方案:所述的鉛炭超級(jí)電池，包括二氧化鉛正極板、海綿鉛負(fù)極板、隔板和電解質(zhì)，以及壓實(shí)在極板表面的超級(jí)電容活性物質(zhì)層；
[0008]所述超級(jí)電容活性物質(zhì)層由以下組分構(gòu)成:高比表面積活性炭材料、導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑。
[0009]具體地，所述高比表面積活性炭材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為85?90%。
[0010]具體地，所述導(dǎo)電添加劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2.5?5%。
[0011]具體地，所述粘結(jié)劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為7.5?10%。
[0012]同時(shí)，所述高比表面積炭活性材料為經(jīng)過(guò)硝酸、過(guò)氧化氫表面改性處理的活性炭、活性炭纖維、納米活性炭纖維、多孔石墨烯中的一種或多種的混合物。
[0013]所述導(dǎo)電添加劑為導(dǎo)電炭黑、石墨烯、炭納米管、炭纖維中的一種或多種的混合物。
[0014]所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯溶液、聚四氟乙烯乳液、羧甲基纖維素溶液中的一種或多種的混合物。
[0015]—種鉛炭超級(jí)電池的生產(chǎn)方法，包括以下步驟:
[0016](1)超級(jí)電容活性物質(zhì)層材料制備:將高比表面積活性炭材料和導(dǎo)電添加劑干混均勻，然后加入無(wú)水乙醇攪拌均勻，并超聲分散，再緩慢加入含有粘結(jié)劑的水溶液，攪拌混合均勻成為粘稠膏狀物質(zhì)，待用；
[0017](2)常溫下，使用輥壓機(jī)將步驟(1)得到的超級(jí)電容活性物質(zhì)材料輥壓成為薄片，將薄片放在正極板或負(fù)極板表面，利用硫化機(jī)壓片成型；
[0018](3)壓片成型的正極板和負(fù)極板在鼓風(fēng)干燥箱中60°C烘干10小時(shí)以上，最后將正極板、負(fù)極板、隔膜裝配成電池。
[0019]作為優(yōu)選，所述步驟(2)中的輥壓薄片的厚度為1?2毫米，硫化機(jī)壓力為4MPa，壓力保持時(shí)間3秒。
[0020]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:對(duì)于活性炭材料進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)了炭材料表面親水性，提高了炭材料與粘結(jié)劑、炭材料與極板之間的結(jié)合力，進(jìn)而提高極板的循環(huán)性能；并且通過(guò)壓力成型，將多孔活性炭材料緊密壓實(shí)粘結(jié)在固化好的極板上，是炭材料和極板之間形成緊密相互作用，制得表面覆蓋有活性炭材料的符合極板；此方法制得的復(fù)合極板，炭材料覆蓋在極板外側(cè)，避免了現(xiàn)有方法中活性炭材料不能被完全利用的弊端，充分發(fā)揮了多孔活性炭材料的超級(jí)電容性能，實(shí)現(xiàn)了蓄電池性能的提高。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面根據(jù)【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。
[0022]—種鉛炭超級(jí)電池及其生產(chǎn)方法，其中，所述的鉛炭超級(jí)電池，包括二氧化鉛正極板、海綿鉛負(fù)極板、隔板和電解質(zhì)，以及壓實(shí)在極板表面的超級(jí)電容活性物質(zhì)層。所述超級(jí)電容活性物質(zhì)層由以下組分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))構(gòu)成:85?90%的高比表面積活性炭材料、
2.5?5%的導(dǎo)電添加劑、7.5?10%的粘結(jié)劑。
[0023]以下具體敘述本發(fā)明鉛炭超級(jí)電池的生產(chǎn)方法:
[0024]活性炭材料層的制備:取5千克活性炭材料，加入過(guò)量10 %硝酸溶液，80°C加熱4小時(shí)進(jìn)行表面處理，之后抽濾并用去離子水洗滌三次洗去多余硝酸，在鼓風(fēng)干燥箱中105°C烘干6小時(shí)；將500克表面處理后的活性炭材料與25克導(dǎo)電炭黑干混，加入500克無(wú)水乙醇，超聲分散1小時(shí)，得到炭-乙醇分散液；將25克聚四氟乙烯和25克羧甲基纖維素溶于500克水中，攪拌混合均勻后加入到炭-乙醇分散液中，攪拌10分鐘得到粘稠膠狀物質(zhì)；將炭材料粘稠膠體放在輥壓機(jī)中壓實(shí)，得到厚度1?2毫米的活性炭材料層薄片，備用。
[0025]然后取普通鉛酸蓄電池的正極板和負(fù)極板，將上述活性炭材料層薄片放置在極板表面，使用硫化機(jī)在室溫下壓實(shí)，使炭材料層與極板緊密結(jié)合。硫化機(jī)的壓力控制在5?15MPa，壓力保持時(shí)間3秒，之后將極板在60°C下干燥6小時(shí)以上。
[0026]最后，將覆蓋有炭材料層的正、負(fù)極板與AGM隔板、電解質(zhì)裝配到電池殼體中，形成電池產(chǎn)品。
[0027]作為另選方案，高比表面積炭活性材料可以選用經(jīng)過(guò)硝酸、過(guò)氧化氫表面改性處理的活性炭、活性炭纖維、納米活性炭纖維、多孔石墨烯中的一種或多種的混合物；導(dǎo)電添加劑可以選用導(dǎo)電炭黑、石墨烯、炭納米管、炭纖維中的一種或多種的混合物；粘結(jié)劑可以選用聚偏氟乙烯溶液、聚四氟乙烯乳液、羧甲基纖維素溶液中的一種或多種的混合物。
[0028]通過(guò)將活性炭材料與固化后的正負(fù)極板混合，組裝的超級(jí)電池器件具有蓄電池和超級(jí)電容器的雙重特性，進(jìn)而提高電池的功率密度和循環(huán)壽命，并且可以抑制負(fù)極板發(fā)生不可逆硫酸鹽化。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中鉛炭直接在鉛膏中混合的極板結(jié)構(gòu)，有利于電解質(zhì)溶液與炭材料的接觸，提高炭材料的利用率和電池的充放電性能
[0029]將本發(fā)明得到的鉛炭超級(jí)電池與普通鉛酸蓄電池進(jìn)行充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)普通電池容量下降至80%的循環(huán)次數(shù)大約為40次，本發(fā)明的鉛炭超級(jí)電池容量下降至80%的循環(huán)次數(shù)約為140次。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鉛炭超級(jí)電池，其特征在于:包括二氧化鉛正極板、海綿鉛負(fù)極板、隔板和電解質(zhì)，以及壓實(shí)在極板表面的超級(jí)電容活性物質(zhì)層； 所述超級(jí)電容活性物質(zhì)層由以下組分構(gòu)成:高比表面積活性炭材料、導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉛炭超級(jí)電池，其特征在于:所述高比表面積活性炭材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為85~90%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉛炭超級(jí)電池，其特征在于:所述導(dǎo)電添加劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為 2.5-5%ο4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉛炭超級(jí)電池，其特征在于:所述粘結(jié)劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為7.5~10%ο5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉛炭超級(jí)電池，其特征在于:所述高比表面積炭活性材料為經(jīng)過(guò)硝酸、過(guò)氧化氫表面改性處理的活性炭、活性炭纖維、納米活性炭纖維、多孔石墨烯中的一種或多種的混合物。6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的鉛炭超級(jí)電池，其特征在于:所述導(dǎo)電添加劑為導(dǎo)電炭黑、石墨烯、炭納米管、炭纖維中的一種或多種的混合物。7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的鉛炭超級(jí)電池，其特征在于:所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯溶液、聚四氟乙烯乳液、羧甲基纖維素溶液中的一種或多種的混合物。8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的一種鉛炭超級(jí)電池的生產(chǎn)方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)超級(jí)電容活性物質(zhì)層材料制備:將高比表面積活性炭材料和導(dǎo)電添加劑干混均勻，然后加入無(wú)水乙醇攪拌均勻，并超聲分散，再緩慢加入含有粘結(jié)劑的水溶液，攪拌混合均勻成為粘稠膏狀物質(zhì)，待用； (2)常溫下，使用輥壓機(jī)將步驟(1)得到的超級(jí)電容活性物質(zhì)材料輥壓成為薄片，將薄片放在正極板或負(fù)極板表面，利用硫化機(jī)壓片成型； (3)壓片成型的正極板和負(fù)極板在鼓風(fēng)干燥箱中60°C烘干10小時(shí)以上，最后將正極板、負(fù)極板、隔膜裝配成電池。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鉛炭超級(jí)電池的生產(chǎn)方法，其特征在于:所述步驟(2)中的輥壓薄片的厚度為1~2毫米，硫化機(jī)壓力為4 MPa，壓力保持時(shí)間3秒。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鉛炭超級(jí)電池及其生產(chǎn)方法，該電池包括二氧化鉛正極板、海綿鉛負(fù)極板、隔板和電解質(zhì)，以及壓實(shí)在極板表面的超級(jí)電容活性物質(zhì)層。所述超級(jí)電容活性物質(zhì)層由高比表面積活性炭材料、導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑構(gòu)成；本發(fā)明對(duì)于活性炭材料進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)了炭材料表面親水性，提高了炭材料與粘結(jié)劑、炭材料與極板之間的結(jié)合力，進(jìn)而提高極板的循環(huán)性能。該生產(chǎn)方法通過(guò)壓力成型，將多孔活性炭材料緊密壓實(shí)粘結(jié)在固化好的極板上，是炭材料和極板之間形成緊密相互作用，避免了現(xiàn)有方法中活性炭材料不能被完全利用的弊端，充分發(fā)揮了多孔活性炭材料的超級(jí)電容性能，實(shí)現(xiàn)了蓄電池性能的提高。
【IPC分類】H01M4/133, H01M4/16, H01M10/14, H01M10/12
【公開號(hào)】CN105406137
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510780059
【發(fā)明人】許文勇, 袁朝勇, 嚴(yán)學(xué)慶, 黃桂寶
【申請(qǐng)人】江蘇歐力特能源科技有限公司
【公開日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年11月16日