[发明专利]铅酸蓄电池轻质板栅及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种板栅材料，特别涉及一种铅酸蓄电池轻质板栅及制备方法，属于电解技术领域。

背景技术

铅酸蓄电池是世界上产量最大，使用范围最广泛的一种化学电源。铅酸蓄电池具有一系列优点，但也有明显不足。其比能量低、重量大是影响铅酸蓄电池应用的一大弊病。分析铅酸蓄电池的组成不难发现，比能量低的主要原因是非活性铅的用量较大，这是铅及铅合金密度大造成的固有缺陷。理论上铅酸蓄电池的比能量为180W.h.kg^-1，但目前比能量仅为30～40W.h.kg^-1，[1]，很难突破50W.h.kg^-1；二是放电态长期保存会导致电极的不可逆硫酸盐化。

在铅酸蓄电池中，板栅重量通常占电池总重的20～30％；活性物质约占40％；电解液约占20％；其余部分约为15％。因此要提高铅酸蓄电池的比能量，不仅要减轻板栅重量，还要提高板栅的抗腐蚀和提高活性物质利用率。

近年来，在减轻铅酸蓄电池重量，采用轻质板栅材料，提高比能量上有一些突破性进展。如制备快速凝固铝铅合金、用玻璃纤维、碳纤维、铅布等可减轻重量10-15％。特别是采用钛、铜、铝为基制备的轻质板栅，都获得了可喜的成果。

(1)钛基合金板栅

金属钛在氧化性酸液中具有优异的抗腐蚀性能。为防止钛被当作阳极氧化时表面发生钝化，国内外不少学者以钛为基，表面涂覆铅、铅合金、贵金属等作为正极或负极板栅。使用过程中，钛板栅都表现出电化学的稳定性，有的甚至能维持300～500个循环。但是都是因为表面涂层的脱落而终止。

(2)铜基合金板栅

金属铜有良好的导电率。以金属铜为基，表面镀铅制成电极，提高了铅酸蓄电池的比能量和活性物质利用率，可有很高的放电电流密度。

有人在铜基体上沉积一层金属铅，用作铅酸蓄电池的正极板栅。沉积的铅层厚度20～100μm，镀层分布没有穿透镀层的许多小孔。结果是在1.34V电位下，电极的放电电流密度可达350mA/cm²。

还有人以表面开孔的泡沫铜为基体，在基体表面镀铅锡合金作为铅酸蓄电池的负极板栅。镀铅锡合金后的比表面积高达5500～6300m²/m²，表观电阻150μΩ/cm，测试结果，在2小时率，电流3.0I，低温(0℃)，放电情况下，负极的质量比容量提高了约27％～37％，负极活性物质利用率提高5～6％。

还有人以铜拉网为基，表面镀铅合金作为铅酸蓄电池的负极板栅。与铅合金负极板栅相比，1小时率放电，负极活性物质利用率提高了13.8％，极板压降减小，电流分布均匀。德国将铜基负极板栅用在潜艇铅酸蓄电池上已多年，近几年又用在了牵引用铅酸蓄电池上。

(3)铝基合金的板栅

金属铝的导电性仅次于铜，是铅的7倍多，密度比铜、铅都小，抗腐蚀能力较强。作为板栅材料使用，能够延长铅酸蓄电池的寿命，防止因腐蚀原因造成的活性物质脱落。有人利用热浸镀技术在铝基体上沉积铅镀层，厚度100～500μm，镀层中有很多细小孔隙存在，孔隙直径约0.2μm。电化学测试结果，电极循环300次后与循环10次后的性能基本相同。如正负极板栅均采用铝合金，电池比能量可提高30～35％。

还有人在铝合金上电镀铅锡合金，在阳极氧化时，显著降低了电池充放电过程中形成的阳极膜的阻抗，提高了板栅的导电性。

(4)综合国内外轻质板栅的发展，目前无论是金属还是非金属轻质材料来替代铅和铅合金用作板栅材料，都是在基体上涂覆铅合金层。涂覆的办法有电镀、热浸镀、电沉积等。采用这些涂覆的办法，姑且不说它们的经济性(生产成本和生产效率)，其要害是涂覆层与基体的结合强度低，易造成涂层与基体脱落，都不可能回避涂层与基体脱落的后果，致使电池过早失效，寿命短，无法实现产业化。

这是因为涂层与基体的结合强度受以下因素制约：

①涂层与基体的结合强度受结合前接合面予处理好坏的影响。如果两者的接合面予处理不干净，仍存有氧化物等杂质或接合面的粗糙度太小，结合强度就不可能高。

②涂层与基体的结合强度受涂层物质对基体润湿性高低的影响。如果涂层对基体的润湿性差，涂层对基体铺展性就差，结合强度就低。

③涂层与基体的结合强度受涂层和基体双方原子扩散速率的影响。在铅酸蓄电池工作条件下，如果原子扩散速率小，在接合面附近不能形成彼此的过渡层，存在“两张皮”的现象，则结合强度也不高。