集流体及其制备方法、电极片及其制备方法及铅酸电池技术

一种集流体，所述集流体由纤维增强型炭气凝胶复合材料制成；所述纤维增强型炭气凝胶复合材料为高导电多孔隙碳材料，所述纤维增强型炭气凝胶复合材料包括炭气凝胶及纤维，所述纤维填充在所述炭气凝胶内。本发明专利技术还涉及集流体的制备方法、电极片、电极片的制备方法及铅酸电池。

Collector, preparation method, electrode sheet, preparation method and lead-acid battery

【技术实现步骤摘要】
集流体及其制备方法、电极片及其制备方法及铅酸电池
本专利技术涉及集流体及铅蓄电池领域，尤其涉及一种集流体、集流体的制备方法、电极片、电极片的制备方法及铅酸电池。
技术介绍
铅酸电池在二次电池市场占有巨大市场份额，是电动车的主要动力电源之一，具有使用温度区间大、安全性高、性价比高等优点。因为铅的原子序数高，密度大，在比能量方面与新兴的锂离子电池相比有明显劣势。因此，铅酸电池在移动应用中的市场占有率逐渐被锂离子电池蚕食。而在现有铅酸电池技术中，常使用高密度的铅合金作为板栅，且在电化学充放电过程中，正负极活性材料不能完全反应，从而使得铅酸电池的比能量低、循环寿命短。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种比能量密度高且循环寿命长的集流体、集流体的制备方法、电极片、电极片的制备方法及铅酸电池。一种集流体，所述集流体由纤维增强型炭气凝胶复合材料制成；所述纤维增强型炭气凝胶复合材料为高导电多孔隙碳材料，所述纤维增强型炭气凝胶复合材料包括炭气凝胶及纤维，所述纤维填充在所述炭气凝胶内。进一步地，所述纤维为短切碳纤维。进一步地，所述纤维增强型炭气凝胶复合材料还包括人造孔模板，所述人造孔模板填充在所述炭气凝胶内。进一步地，所述人造孔模板为泡沫塑料及/或空心薄膜。进一步地，在所述纤维增强型炭气凝胶复合材料中，所述炭气凝胶的体积百分含量为80％～85％，所述纤维的体积百分含量为10％，所述人造孔模板的体积百分含量为5％～10％。一种如上所述的集流体的制备方法，包括步骤：配置前驱体溶液，所述前驱体溶液为可聚合的水系高分子前驱体溶液；将纤维添加入所述前驱体溶液中并使所述纤维均匀分散在所述前驱体溶液中；加热所述前驱体溶液使之发生原位聚合反应，得到一水凝胶；所述纤维填充在所述水凝胶内；干燥所述水凝胶，得到具有理想网络结构的有机凝胶；及在无氧环境下加热炭化所述有机凝胶，得到纤维增强型炭气凝胶复合材料。进一步地，在“加热所述前驱体溶液使之发生原位聚合反应，得到一水凝胶”的步骤之前，还包括步骤：将人造孔模板加入所述前驱体溶液中并使所述人造孔模板均匀分散在所述前驱体溶液中，所述人造孔模板填充在所述水凝胶内。进一步地，在“将纤维添加入所述前驱体溶液中”的步骤之前，还包括步骤：对所述纤维进行短切和表面处理。进一步地，所述表面处理采用等离子放电、表面偶联、表面接枝、表面氧化方法中的至少一种。进一步地，所述炭气凝胶是由间苯二酚和甲醛发生原位聚合反应制备而成，在原位聚合反应过程中，反应温度为70～90摄氏度，反应时间在48～78小时之间。进一步地，在“加热炭化所述有机凝胶”的步骤之前或步骤之后，还包括步骤：对所述有机凝胶或所述纤维增强型炭气凝胶复合材料进行外形加工。一种电极片，所述电极片包括一如上所述的集流体及负载在所述集流体的孔隙中的电极活性材料。进一步地，所述电极活性材料为纳米级电极活性材料；当所述电极片为负电极片时，所述电极活性材料为负电极活性材料，所述负电极活性材料为单质铅；当所述电极片为正电极片时，所述电极活性材料为正电极活性材料，所述正电极活性材料为二氧化铅。进一步地，所述电极片还包括绝缘钝化层，以降低电极片的副反应的反应速度；所述绝缘钝化层形成在所述电极片的未负载所述电极活性材料的部位上。一种电极片的制作方法，包括步骤：将如上所述的集流体作为板栅载体，所述板栅载体为高导电多孔材料；及在所述板栅载体的孔隙中负载电极活性材料。进一步地，在“在所述板栅载体的孔隙中负载电极活性材料”的步骤之后还包括步骤：绝缘钝化所述电极片，在所述电极片的未负载所述电极活性材料的表面形成绝缘钝化层。进一步地，所述电极活性材料为纳米级电极活性材料，通过浸渍-固化工艺在所述板栅载体的孔隙中负载纳米级电极活性材料。一种铅酸电池，所述铅酸电池包括隔离膜和电解液，所述铅酸电池还包括如上所述的正电极片和负电极片，所述正电极片、负电极片、隔离膜均位于所述电解液内，所述正电极片及负电极片通过所述隔离膜间隔开，所述正电极片及负电极片通过金属及/或导电材料连接，以组成电路。进一步地，所述正电极片及所述负电极片均还包括绝缘钝化层，以降低电极片的副反应的反应速度；所述绝缘钝化层形成在所述正电极片及所述负电极片的未负载所述正电极活性材料或负电极活性材料的部位上。本专利技术将炭气凝胶与纤维结合起来制作形成多孔隙的纤维增强型炭气凝胶复合材料，并使用所述多孔隙的纤维增强型炭气凝胶复合材料制作集流体，1)纤维增强型炭气凝胶复合材料的多孔隙率能够大幅度降低板栅集流体的密度，从而提高比能量密度；2)在充放电过程中，有电化学反应在集流体内的孔隙表面发生，从而参与电池的反应；另外，采用纳米级电极活性材料作为电极活性材料，孔隙中的纳米级活性材料颗粒度小、表面积大，能够带来更大的倍率性能和利用效率，从而能够提升所述铅酸电池的循环寿命；3)所述纤维增强型炭气凝胶复合材料中还包括人造孔模板，所述人造孔模板填充在所述炭气凝胶内，能够在所述炭气凝胶内制造一些大孔径的宏观孔，从而能够进一步丰富炭气凝胶的孔隙率，从而进一步降低板栅集流体的密度，从而提高比能量密度及循环寿命。具体实施方式为能进一步阐述本专利技术达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施方式，对本专利技术提供的集流体、集流体的制备方法、电极片、电极片的制备方法及铅蓄电池的具体实施方式、结构、特征及其功效，作出如下详细说明。本专利技术较佳实施方式提供一种电极片，所述电极片包括集流体及负载在所述集流体上的电极活性材料。其中，所述集流体由纤维增强型炭气凝胶复合材料制成，所述纤维增强型炭气凝胶复合材料为多孔隙材料，所述电极活性材料负载在所述纤维增强型炭气凝胶复合材料的孔隙内。所述纤维增强型炭气凝胶复合材料包括炭气凝胶及纤维，所述炭气凝胶内形成有大量的孔隙，所述纤维填充在所述炭气凝胶内。在本实施方式中，所述炭气凝胶由间苯二酚和甲醛发生原位聚合反应制备而成的高导电多孔隙材料。其中，所述纤维用于增加所述纤维增强型炭气凝胶复合材料的柔性及可加工性。其中，所述纤维可以为但不局限于碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维等无机纤维，聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维等合成纤维，再生纤维，高分子纤维，混合纤维，以及温石棉、青石棉等矿物纤维。优选地，所述纤维为碳纤维。优选地，所述碳纤维为短切碳纤维。在本实施方式中，所述短切碳纤维的长度在3毫米到4厘米之间。其中，所述碳纤维与所述炭气凝胶二者结合，不仅可以在所述纤维增强型炭气凝胶复合材料内建立良好的导电网络结构，还能够限制所述纤维增强型炭气凝胶复合材料的制备方法中的干燥炭化过程中的体积收缩，从而增强所述纤维增强型炭气凝胶复合材料的结构强度。其中，所述纤维增强型炭气凝胶复合材料还包括人造孔模板，所述人造孔模板填充在所述炭气凝胶内。其中，所述人造孔模板用于在所述炭气凝胶内形成一些大孔径的宏观孔，从而进一步提高所述炭气凝胶的孔隙率。在所述纤维增强型炭气凝胶复合材料中，所述炭气凝胶的体积百分含量为80％～85％，所述纤维的体积百分含量为10％，所述人造孔模板的体积百分含量为5％～10％。其中，所述人造孔模板可以为但不限于泡沫塑料及/或空心薄膜。优选地，所述人造孔模板为小球泡沫塑料。优选地，所述电极活性材料为纳米级电极活性材料。其中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集流体，其特征在于，所述集流体由纤维增强型炭气凝胶复合材料制成；所述纤维增强型炭气凝胶复合材料为高导电多孔隙碳材料，所述纤维增强型炭气凝胶复合材料包括炭气凝胶及纤维，所述纤维填充在所述炭气凝胶内。

【技术特征摘要】
1.一种集流体，其特征在于，所述集流体由纤维增强型炭气凝胶复合材料制成；所述纤维增强型炭气凝胶复合材料为高导电多孔隙碳材料，所述纤维增强型炭气凝胶复合材料包括炭气凝胶及纤维，所述纤维填充在所述炭气凝胶内。2.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述纤维为短切碳纤维。3.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述纤维增强型炭气凝胶复合材料还包括人造孔模板，所述人造孔模板填充在所述炭气凝胶内。4.如权利要求3所述的集流体，其特征在于，所述人造孔模板为泡沫塑料及/或空心薄膜。5.如权利要求3所述的集流体，其特征在于，在所述纤维增强型炭气凝胶复合材料中，所述炭气凝胶的体积百分含量为80％～85％，所述纤维的体积百分含量为10％，所述人造孔模板的体积百分含量为5％～10％。6.一种如权利要求1-5任一项所述的集流体的制备方法，包括步骤：配置前驱体溶液，所述前驱体溶液为可聚合的水系高分子前驱体溶液；将纤维添加入所述前驱体溶液中并使所述纤维均匀分散在所述前驱体溶液中；加热所述前驱体溶液使之发生原位聚合反应，得到一水凝胶；所述纤维填充在所述水凝胶内；干燥所述水凝胶，得到具有理想网络结构的有机凝胶；及在无氧环境下加热炭化所述有机凝胶，得到纤维增强型炭气凝胶复合材料。7.如权利要求6所述的集流体的制备方法，其特征在于，在“加热所述前驱体溶液使之发生原位聚合反应，得到一水凝胶”的步骤之前，还包括步骤：将人造孔模板加入所述前驱体溶液中并使所述人造孔模板均匀分散在所述前驱体溶液中，所述人造孔模板填充在所述水凝胶内。8.如权利要求6所述的集流体的制备方法，其特征在于，在“将纤维添加入所述前驱体溶液中”的步骤之前，还包括步骤：对所述纤维进行短切和表面处理。9.如权利要求8所述的集流体的制备方法，其特征在于，所述表面处理采用等离子放电、表面偶联、表面接枝、表面氧化方法中的至少一种。10.如权利要求6所述的集流体的制备方法，其特征在于，所述炭气凝胶是由间苯二酚和甲醛发生原位聚合反应制备而成，在原位聚合反应过程中，反应温度为70～90摄氏度，反应时...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜鸿达，丁亚红，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44