CN1075031A - 碳-碳复合材料电极蓄电池及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种碳-碳复合材料电极蓄电池，该电池主要由 正极板、负极板，隔离板和容器组成。正极板由正三 角形蜂窝状碳纤维增强的碳-碳复合材料制成。其 制备方法为：将碳纤维经浸胶，干燥，布线，固化，脱 模，碳化等工艺制成碳-碳复合材料蜂窝状正极板。 负极板则使用碳纤维直接制成。正极板再经涂膏，压 板，淋酸，干燥，化成等工艺制成电池正极。负极板经 镀锌等方法制成电池负极，加入一定的硫酸溶液，经 充电制成“碳-碳复合材料电极二氧化铅-锌”蓄电 池。

Description

本发明属电化学技术领域，是采用碳一碳复合材料制造蓄电池电极，以代替传统的金属电极。

随着世界石油资源不断减少，国外已投入大量资金研制以新型能源为动力的交通工具。特别是我国，人口众多，，石油资源贫乏，根本不具备普及汽车的条件。因此大力发展新型能源为动力的交通工具，具有重要意义。

从国外发展情况来看，古老的蓄电池仍具有重要作用。美国通用动力公司已发展了一种一次充电后可行驶200公里的电瓶汽车。从一般情况看，如果达到一次充电后行驶500公里，可反复充放电400次后，则具有同目前汽车相竞争的实力投入市场。当然随着石油资源减少，石油价格提高，这种新型能源为动力的交通工具优点，将越来越大。例如W.Barcus《Gotes    Engerg    Product    Battery    Application    Manual》（1980）。这种以蓄电池为动力交通工具有使用成本低，不污染环境，维护方便等一系列优点。但是限制其使用的主要问题在于蓄电池的重量，主要指标是“质量比能量”。目前电瓶车所用蓄电池质量比能量仅有15～30瓦小时/公斤，若提高到150～200瓦小时/公斤，则有较高的实用价值。

对于一般蓄电池而言，质量比能量和使用寿命是两个至关重要的参数。由于电池采用酸性或碱性溶液，这些溶液对金属电极有强烈的腐蚀性，为了延长使用寿命必须制备大而笨重的电池。

为了克服上述不足，本发明的目的是采用碳纤维及其增强的碳一碳复合材料制造重量轻，耐腐蚀性好，寿命长，储电量大，强度高的蓄电池电极。

众所周知，碳纤维是一种新型工程材料，广泛地使用在航空航天领域。其特点是重量轻，强度高，有良好导电性和耐腐蚀性。特别是利用碳纤维增强的“碳一碳”复合材料可以说是最好的电极材料。使用这种材料制成三角蜂窝形状的蓄电池电极重量轻，储电量大，耐腐蚀性好，寿命长。

蓄电池也称为二次电池，主要有酸性和碱性两种。由于酸性电池原材料便宜，来源丰富，生产工艺简单，电池电压高，内阻小，电性能可靠等一系列优点，目前95%以上均采用酸性电池。

本发明选用“二氧化铅一锌”酸性电池，这种电池电压高，极限容量可达300瓦小时/公斤。由于负极采用碳纤维镀锌制成。可有较高的使用寿命。正极采用常规的二氧化铅电极，并使用碳一碳复合材料制成的正三角蜂窝状极板，有较大的储电量，同时，“碳一碳”复合材料电池电极也可用在“二氧化铅一铅”蓄电池上。“二氧化铅一锌”电池电极的极限容量可达300瓦小时/公斤，若利用率达50%，实用质量比能量将达150瓦小时/公斤。这种电池有较高的应用价值，同目前使用的铅蓄电池相比，重量减轻了五分之四。可以用在交通工具上。

碳一碳复合材料电极蓄电池如图1所示，由正极板（5），负极板（3），隔板（4），沉淀槽（6），汇流排（1）和密封容器（2）组成。充电后正极板上生成二氧化铅PbO₂，负极板则生成锌Z_n。放电时，正极板上的二氧化铅反应生成硫酸铅PbSO₄，负极板上锌则生成硫酸锌Z_nSO₄。其电池反应如下：

锌的标准电极电位为-0.763伏。二氧化铅标准电极电位为+1.685伏该电池标准电压为2.448伏。经计算，该电池极限容量可达300瓦小时/公斤，利用率为50%时，则实际质量比能量可达150瓦时/公斤。

本发明的关键技术在于碳纤维增强的三角蜂窝结构的正极板，也就是二氧化铅极板。制备工艺流程如图2所示。首先要准备模具，模具如图3所示。模具由四氟乙烯制成，上面有布线间隙（7）。空隙的深度相当于极板的厚度，宽度和几何形状还可根据情况变化。本发明采用正三角形，原因是结构稳定性好，布线方便。还可采用园形，六边形等形状。

第二步是布线固化，选用有关树脂基体后，可根据配方配制胶液，配好胶液后可将碳纤维浸胶，浸胶后凉干，待溶剂挥发后，可将浸胶纤维通过布线方式，布入模具布线间隙内固化。固化后脱模，则制成三角形蜂窝状碳纤维增强复合材料。

固化后的蜂窝在隋性气氛下高温烧结，根据需要可反复浸胶，烧结碳化。直至制成“碳一碳”复合材料正三角形蜂窝状电池电极。

该电池电极为二氧化铅正极板，经常规的涂铅膏，压板，淋酸，干燥，化成等工艺可制成“二氧化铅一锌”蓄电池的极板（5）。

负极板（3）如图-4所示。由汇流板（8），支杆（9），碳纤维电极（10），下支架（11），玻璃布隔层（12）组成。汇流板（8），支杆（9），下支架（11）组成一个框架起支承碳纤维电极（10）的作用。碳纤维电极可根据需要固定在汇流板（8）与支架（11）上。使用玻璃布隔层（12）将碳纤维电极包起来，起到隔离与保护作用。

负极板（3）可根据需要镀上一定重量的锌，同正极板（5）组合在一起，加入硫酸电池溶液，组成“碳一碳复合材料二氧化铅一锌”蓄电池。

本发明的优点是使用碳纤维增强的碳一碳复合材料制成三角形蜂窝结构的酸性电池正极板。同时直接使用碳纤维制成负极板。这种材料和结构重量轻，强度高，耐腐蚀性好，贮电能量大，使用寿命长。同时工艺方法简单易行，可作为新型动力装置用于交通工具电瓶汽车上。

本发明有如下附图：

图1    碳一碳复合材料电极蓄电池结构示意图

图2    正极板制备工艺流程图

图3    正极板模具示意图

图4    负极板结构示意图

图中标号如下：

1.汇流排    2.密封容器    3.负极板    4.隔板    5.正极板    6.沉淀槽    7.布线间隙    8.汇流板    9.支杆    10.碳纤维电极    11.下支架    12.玻璃布隔层

Claims (5)

1、一种碳纤维增强的“碳-碳”复合材料电极蓄电池，其特征在于：该蓄电池的正极板由碳纤维增强的“碳-碳”复合材料制成三角形蜂窝结构。该极板经过常规的涂铅膏，淋酸，干燥，化成等工艺制蓄电池的正极。负极板直接使用碳纤维电镀方法制成，加入硫酸电池溶液后，则制成“碳-碳复合材料电极的二氧化铅-锌”蓄电池。

2、根据权利要求1所述的电极蓄电池;其特征在于正极板的制做方法是：首先将树脂胶液配制成溶液，并置入浸胶槽中，然后将碳纤维在浸胶槽中浸上树脂溶液。然后将浸胶后的纤维凉置。待溶剂挥发后，将浸胶后的碳纤维按布线规律布置在模具的间隙内固化。固化后脱模，则制成正三角蜂窝极板。将固化后的极板在惰性气氛下高温烧结碳化。经多次浸胶一碳化则制成碳一碳复合材料三角形蜂窝电池电极。

3、根据权利要求1和2所述的电池电极;其特征在于：极板使用的模具可用四氟乙烯根据需要加工而成。其模具间隙深度对应极板的厚度。宽度和几何形状可根据需要改变。浸胶后的碳纤维可布置在模具间隙内固化，形成蜂窝结构的电池电极。

4、根据权利要求2所述的电池电极;其特征在于：蜂窝形状可制成三角形，六边形和园形。

5、根据权利要求1所述的电极蓄电池;其特征在于：负极板可直接使用碳纤维制成。

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