[发明专利]一种碳材料铅酸电池负极板及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳材料铅酸电池负极板及其制备方法，碳材料铅酸电池负极板包括碳纤维三维立体织物、金属网和金属条，碳纤维三维立体织物包括面层和设置于两个面层之间的中间层，金属网设置于两个面层外侧，两个金属网的外侧设置金属条，两面上的金属条相对的一端连接并连接极耳；制备方法为：采用专用织机织造碳纤维三维立体织物，金属网和金属条通过热熔法压铸到碳纤维三维立体织物的面层，两面的金属条会汇合再一起接出极耳；活性物质通过压力注入或真空辅助注入到碳纤维三维立体织物的织网内；本发明中，极板主体采用碳纤维三维立体织物制作，碳纤维三维立体织物的三维网孔结构具有低密度和高比表面积，能够大幅度提高铅酸电池的比能量。

技术领域

本发明涉及铅酸电池制造技术领域，特别是涉及一种碳材料铅酸电池负极板及其制备方法。

背景技术

目前，在地球石油资源过度消耗的困境下，化石能源在人们生活中的比重逐步下降，新能源汽车和清洁能源已经成为各个国家的发展热点。人们对铅酸蓄电池、锂电池等电池的使用量越来越大。铅酸电池相比于锂电池等新型电池，具有价格低廉、温度适应性好，运行稳定等优势。但铅酸电池也存在一些需要亟待解决的问题：(1)比能量低。铅酸电池的理论比能为168Whkg^-1)，而通常铅栅收集器获的比能在30-40Whkg^-1范围内，铅栅占板极重量的33％至50％。(2)负极不可逆硫酸盐化。负极活性物质有三种存在方式：Pb、细小的PbSО₄晶粒和粗大的不可逆PbSО₄晶体。充电时一部分细小的PbSО₄晶体还原为活性物质Pb，而另一部分PbSО₄通过重结晶过程生成粗大的不可逆PbSО₄晶体，随着电池充放电反应的持续进行，负极不可逆PbSО₄晶体持续长大并最终导致负极失效。

用导电性良好、化学稳定性好的碳材料替代铅栅收集器可以明显降低极板的重量。目前已经开发的碳材料继电器有：导电性多孔碳(CPC)铅酸电池集电器、碳毡(CF)和石墨毡(GF)电池集电器、带有瓦楞结构的碳材料继电器等。多孔碳板的孔是闭孔，极板活性物质的渗透深度有限，活性物质的负载率较低；碳毡(CF)和石墨毡(GF)材料由于价格低、导电性好、电化学窗口宽、比表面积更大，以及即使在苛刻的条件下仍保持良好的稳定性等优点，成为铅酸电池最主要的电极材料。采用石墨毡作电极，电流密度降低，可以有效抑制析氢、析氧副反应的发生。但是，碳纤维毡的空隙较小，限制了活性物质在极板内部的渗透，也存在活性物质的负载率较低的问题。带有瓦楞结构的极板，瓦楞结构可以使活性物质和极板相互嵌合，既增加了接触面积，也增加了结合牢度，但是瓦楞的深度有限。以上分析可以看出，目前的铅酸电池碳材料电极，主要是因为用碳材料替代传统的铅格栅使其重量减低，使电池的比能量有所提高。

铅酸电池的负极的不可逆硫酸盐化是导致电池在HRPSoC和低温状态下失效的主要原因。通过在负极活性物质中添加炭材料制成“铅炭电池”，极大地改善了电池性能，尤其是在HRPSoC下，其使用寿命可以达到铅酸电池的3-4倍，功率密度提高20-50％。常用的添加剂有活性炭、石墨、碳纳米管以及石墨烯等。

但碳材料与负极活性物质之间比重不一致的问题会导致在电极制备过程中两者很难混合均匀，从而产生浮炭的现象，致使碳材料不能充分发挥其优势。

如何提升铅酸电池的比能量，如何使碳材料与负极活性物质深度结合，成为铅酸电池发展过程中亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳材料铅酸电池负极板及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，极板主体采用碳纤维三维立体织物制作，碳纤维三维立体织物的三维网孔结构具有低密度和高比表面积，能够大幅度提高铅酸电池的比能量，使碳材料与负极活性物质深度结合。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：