CN116111205A - 一种铅炭电池用多层复合隔板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种胶体铅炭电池用复合隔板。该复合隔板包括一层PE隔板和两层筛网，PE隔板夹在两层筛网中间，构成三明治结构。其中的PE隔板用于分隔正负极活性物质，筛网的网孔用于存储胶体。筛网的引入，不但可以增大的隔板的储胶量，而且可以为溶胶的注入提供通道，降低胶体注入阻力。实验表明，采用这种复合隔板，可以将电池的注胶量提高到液体酸电解质的注入量，使电池的放电容量提高到采用液体酸作电解质的铅炭电池的95％以上。

Description

一种铅炭电池用多层复合隔板
技术领域
本发明涉及铅炭电池领域，特别涉及铅炭电池隔板。
背景技术
随着对混合动力汽车需求及可再生原利用规模的不断扩大，开发安全、低成本、高性能的先进储能***迫在眉睫。铅酸电池具有安全性好、低温性能好、性价比高、技术成熟等优点，是应用最广泛的电化学储能技术之一。然而，铅酸电池存在能量密度低、功率密度低、循环性能差等问题。铅碳电池是近年来发展起来的一种先进的铅酸电池，其弥补了铅酸电池的一些性能缺陷。一方面，碳材料在活性物质铅膏中构成导电网络，可以促进Pb和PbSO4之间的转换，从而提高负电极的功率密度。另一方面，碳材料可以防止硫酸铅晶体颗粒的长大和在活性材料表面的大量积累，减缓铅膏的不可逆硫酸盐化进程，降低负极的容量衰减速度，从而延长铅碳电池的循环寿命。铅碳电池分为内部混合和、内部并联以及纯碳负极三种类型。其中内混型铅碳电池属于能量型铅碳电池，在固定储能领域，特别是大规模储能领域具有广阔的应用前景。在内混型铅碳电池中，引入炭材料的目的是提高活性物质的有效利用率，延长电池的充放电循环寿命。在内混型铅碳电池中，将碳材料混合到铅膏中，使碳材料与活性材料充分接触，有利于碳材料导电效应、空间位阻效应和电催化效应的发挥。有研究表明，在铅碳电池负极中加入了炭材料，可以使铅碳电池的综合性能得到显著提高。其中铅碳电池的能量密度、充电接收能力和循环寿命较铅酸电池分别提高了20％、1倍和2-3倍。
虽然铅碳电池的能量密度、充电接收能力和循环寿命较铅酸电池有显著提高，但其在储能领域的应用仍面临着来自其他类型电化学储能技术的巨大挑战。如和锂离子电池相比，铅碳电池的能量密度和循环寿命明显偏低。但是，和其他种类的电化学储能技术相比，铅碳电池具有安全性高和储能成本低的突出优势，如果能够进一步提高其循环寿命，将会显著提升其在大规模储能领域的市场竞争力。虽然在负极活性物质中引入碳材料可以抑制负极的不可逆硫酸盐化，使电池的循环寿命得到延长，但铅炭电池失效的原因仍然是负极下部的严重硫酸盐化。造成负极下部活性物质发生不可逆硫酸盐化的原因是酸分层，即在重力作用下，H2SO4逐渐向电池底部迁移，致使电池下部的酸浓度不断提高。硫酸浓度的提高会造硫酸铅晶体颗粒的逐渐增大，使其失去电化学活性。
解决铅炭电池中酸分层的有效方法之一是使用胶体电解质代替硫酸溶液。在胶体电池生产过程中，高效灌胶是必须要解决的技术难题。含硅溶胶较电解质溶液粘度大，流动性差，难以进入到极板间的隔板中，使正负极板得到充分浸润。如果灌胶不充分，将会影响后续的化成，从而造成电极活性物质利用率的降低，降低电池的容量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题(发明目的)：
本发明提供了一种胶体铅炭电池用复合隔板。该复合隔板包括一层PE隔板和两层筛网，PE隔板夹在两层筛网中间，构成三明治结构。其中的PE隔板用于分隔正负极活性物质，筛网的网孔用于存储胶体。
一种复合隔板，由聚酯筛网、PE隔板、聚酯筛网层叠而成。
将PE隔板夹持在两层聚酯筛网中间，构成三明治结构，聚酯筛网的筛网密度为5-500目，优选10-100目，筛网厚度为0.1-5mm；PE隔板厚度0.1-5mm。
所述的复合隔板作为隔膜在铅炭电池中的应用。
所述复合隔板用作胶体铅炭电池隔膜使用。
所述胶体铅炭电池的制备过程为：
A、(1)按重量份数计，将500-800份铅粉、0.01-20份碳材料、6-10份硫酸钡、0.1-0.5份长度为0.1-5mm、直径为100nm-5μm的聚丙烯短纤维搅拌预混合，边搅拌边向预混的粉料中加入50-100份去离子水，持续搅拌1-60min得到铅膏；
(2)将铅膏刮涂到金属铅板栅上，铅膏充满金属铅板栅上的通孔，经固化干燥得到铅炭电池负极；固化温度30-50℃，湿度为70-95％，固化时间为10-30小时；干燥温度为60-120℃，时间为10-30小时；
B、正极的制备：按照上述负极制备A中步骤(1)和步骤(2)相同的工艺步骤制备铅酸电池正极，与其不同之处在于正极不添加任何碳材料；
C、组装成铅炭电池后，铅炭电池添加的电解液为胶体电解液，其质量浓度为：1.1g/ml-1.4g/ml，优选：1.275g/ml，并且硫酸电解液与负极除金属铅板栅之外的活性物质总质量的质量比为60-120：50，优选83：57.2。
金属铅板栅的尺寸为长50-1000mm、宽20-80mm、厚0.5-4mm；
所用的步骤1制备的羟磷灰石隔膜隔膜尺寸为长50-1000mm、宽20-80mm、厚0.5-4mm。
所述胶体电解液为气相二氧化硅的质量分数0.01％-20％的硫酸溶液，优选0.5-5％。
PE隔板二侧方形筛网的长宽和宽度与相应铅炭电池板栅长宽和宽度相等或大于其尺寸。
本发明有益效果：
本发明通过将隔板两侧设置筛网，不但可以增大的隔板的储胶量，而且可以为溶胶的注入提供通道，降低胶体注入阻力。通过实验结果表明，采用本发明的复合隔板，可以将电池的注胶量提高到液体酸电解质的注入量和浸润性，使电池的放电容量提高到采用液体酸作电解质的铅炭电池的95％以上。
具体实施方式
实施例1
采用如下步骤制备铅炭电池：
1、负极的制备：(1)将600g铅粉、9g活性炭、8.4g硫酸钡、0.3g长度为5mm直径为0.5-1.5μm的聚丙烯短纤维用高速搅拌机进行预混，边搅拌边向预混的粉料中加入84g去离子水，持续搅拌10min得到铅膏；(2)将铅膏刮涂到金属铅板栅上，板栅尺寸为长70mm宽50mm厚2mm，经固化干燥得到铅炭电池负极。固化温度40℃，湿度为80％，固化时间为20小时；干燥温度为80℃，时间为24小时；
2、正极的制备：按照与负极制备步骤(1)和步骤(2)相同的工艺步骤制备铅酸电池正极，与其不同之处在于正极不添加任何碳材料；
3、铅炭电池的制备：将三块正极板与两块负极板依次交替间隔平行摆放，并于正极板与负极板之间放置胶体铅炭电池用复合隔板(作为隔膜)，隔板结构中1mm厚的PE隔板的两侧采用的聚酯网的目数为10目，筛网厚度为1mm(将PE隔板夹在两层聚酯筛网中间，构成三明治结构，PE隔板厚度2mm)，分别将两块负极板并联焊接、三块正极板并联焊接，其中铅酸电池的正极活性物质总质量(三块正极板上铅膏干燥后的总质量)为20.0g，正极活性物质的总质量指的是三块并联焊接的正极板所包含的铅膏的总质量，负极活性物质总质量(两块负极板上铅膏干燥后的总质量)为14.3g，负极活性物质的总质量指的是两块并联焊接的负极板所包含的铅膏的总质量。正负极板栅采用常规铅板栅，尺寸为长70mm宽50mm厚2mm；将正负极放入紧装配的电池盒中，其中电池盒的长76mm，宽40mm，高100mm，向电池盒中注入83g含二氧化硅质量分数1％的密度为1.275g/ml的胶体电解液；经测试，该条件下电池正负极之间的胶体电解液的电导率为690mS/cm。
将电池进行常温寿命测试：采用4.2A恒流放电59秒，18A放电1秒，采用6.3A电流2.3V电压恒流恒压充电60秒，将该充放电条件循环3600次，随后静置40小时，40小时后重新开始循环，寿命测试的终止条件为电池电压降低至1.2V以下；
所装配的内混型电池常温满电状态下起始电压为2.1765V，内混型电池在常温寿命测试中可运行18153圈。与相同铅元素含量的普通铅酸电池在同样测试条件下的测试结果对比(7223圈)，内混铅炭电池的常温循环寿命可以达到传统铅酸电池寿命2.5倍。
实施例2
过程同实施例1，与其不同之处在于，铅炭电池:按照实施例1的要求，不改变其他条件，将隔板结构中PE隔板的两侧采用的聚酯网的目数改为100目。经测试，该条件下电池正负极之间的胶体电解液的电导率为695mS/cm。所装配的内混型电池常温满电状态下起始电压为2.1293V，内混型电池在常温寿命测试中可运行17824圈。与相同铅元素含量的普通铅酸电池在同样测试条件下的测试结果对比(7223圈)，内混铅炭电池的常温循环寿命可以达到传统铅酸电池寿命2.5倍。
实施例3
过程同实施例1，与其不同之处在于，按照实施例1的要求，不改变其他条件，将隔板结构中PE隔板的两侧采用的聚酯网的目数为10目改为仅单侧放置目数为10的聚酯网。经测试，该条件下电池正负极之间的胶体电解液的电导率为680mS/cm。所装配的内混型电池常温满电状态下起始电压为2.1843V，内混型电池在常温寿命测试中可运行14742圈。。与相同铅元素含量的普通铅酸电池在同样测试条件下的测试结果对比(7223圈)，内混铅炭电池的常温循环寿命可以达到传统铅酸电池寿命2倍。
对比例1
过程同实施例1，与其不同之处在于，铅炭电池:按照实施例1的要求，不改变其他条件，采用常规单层AGM隔膜制备铅炭电池。经测试，该条件下电池正负极之间的胶体电解液的电导率为660mS/cm。所装配的内混型电池常温满电状态下起始电压为2.1939V，该电池常温条件下可运行寿命测试10415圈。
对比例2
过程同实施例1，与其不同之处在于，铅炭电池:按照实施例1的要求，不改变其他条件，采用筛网密度为3000目的聚酯筛网构成复合隔板。经测试，该条件下电池正负极之间的胶体电解液的电导率为450mS/cm。所装配的内混型电池常温满电状态下起始电压为2.1734V，该电池常温条件下可运行寿命测试3563圈。
通过上述实施例和对比例结论可看出，合适的筛网目数决定了胶体电解液的电导率，电导率过低的电解液电池循环寿命受到严重影响。

Claims (8)

1.一种复合隔板，其特征在于：由聚酯筛网、PE隔板、聚酯筛网层叠而成。
2.按照权利要求1所述的复合隔板，其特征在于：将PE隔板夹持在两层聚酯筛网中间，构成三明治结构，聚酯筛网的筛网密度为5-500目，优选10-100目，筛网厚度为0.1-5mm；PE隔板厚度0.1-5mm。
3.一种权利要求1或是所述的复合隔板作为隔膜在铅炭电池中的应用。
4.按照权利要求3所述的应用，其特征在于：所述复合隔板用作胶体铅炭电池隔膜使用。
5.按照权利要求4所述的应用，其特征在于：所述胶体铅炭电池的制备过程为：
A、(1)按重量份数计，将500-800份铅粉、0.01-20份碳材料、6-10份硫酸钡、0.1-0.5份长度为0.1-5mm、直径为100nm-5μm的聚丙烯短纤维搅拌预混合，边搅拌边向预混的粉料中加入50-100份去离子水，持续搅拌1-60min得到铅膏；
(2)将铅膏刮涂到金属铅板栅上，铅膏充满金属铅板栅上的通孔，经固化干燥得到铅炭电池负极；固化温度30-50℃，湿度为70-95％，固化时间为10-30小时；干燥温度为60-120℃，时间为10-30小时；
B、正极的制备：按照上述负极制备A中步骤(1)和步骤(2)相同的工艺步骤制备铅酸电池正极，与其不同之处在于正极不添加任何碳材料；
C、组装成铅炭电池后，铅炭电池添加的电解液为胶体电解液，其质量浓度为：1.1g/ml-1.4g/ml，优选：1.275g/ml，并且硫酸电解液与负极除金属铅板栅之外的活性物质总质量的质量比为60-120：50，优选83：57.2。
6.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：金属铅板栅的尺寸为长50-1000mm、宽20-80mm、厚0.5-4mm；
所用的步骤1制备的羟磷灰石隔膜隔膜尺寸为长50-1000mm、宽20-80mm、厚0.5-4mm。
7.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：所述胶体电解液为气相二氧化硅的质量分数0.01％-20％的硫酸溶液，优选0.5-5％。
8.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：PE隔板二侧方形筛网的长宽和宽度与相应铅炭电池板栅长宽和宽度相等或大于其尺寸。
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