包含离散的碳纳米管的铅酸电池制剂制造技术

本发明专利技术公开了用于改善铅酸电池性能的离散的碳纳米管的组合物。还公开了用离散的碳纳米管形成铅酸电池的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术公开了用于改善铅酸电池性能的离散的碳纳米管的组合物。还公开了用离散的碳纳米管形成铅酸电池的方法。【专利说明】包含离散的碳纳米管的铅酸电池制剂本申请要求2011 年 6 月 23 日提交的题为 “LEAD-ACID BATTERY FORMULATIONSCOMPRISING DISCRETE CARBON NANOTUBE FIBERS”的美国临时专利申请序列号 61/500，561和2012年4月 25 日提交的题为“LEAD-ACID BATTERY FORMULATIONS COMPRISING DISCRETECARBON NANOTUBE FIBERS”的美国临时专利申请序列号61/638，454的优先权，其各自的全部内容均通过弓I用并入本文。
本专利技术涉及用于制备具有离散的碳纳米管，或离散的碳纳米管与石墨烯片或经氧化的石墨烯片的混合物的铅酸电池的方法和新型组合物。
技术介绍
碳纳米管可按管中壁的数目分类为单壁、双壁和多壁。碳纳米管的每个壁可进一步分类为手性形式或非手性形式。碳纳米管目前被制造成团聚的纳米管球或束。预测在电池中使用碳纳米管和石墨烯作为增强性能添加剂对于电动车辆，一般地对于电存储具有显著的效用。然而，由于一般不能可靠地生产个体化的碳纳米管，所以阻碍了碳纳米管在这些应用中的使用。铅酸电池的性能目标是在指定的高倍率放电情况中使比功率(功率/单位重量，以瓦特/千克为单位测量)最大化，并且使电池寿命最大化，所述电池寿命不仅在于环境耐久性而且最重要地在于循环寿命(可充电和放电的次数)。腐蚀(正极板上)和硫酸盐化(负极板)二者限定了现今铅酸电池的两种关键的失效模式(failure mode)。关于腐蚀失效,该失效模式随着温度升高约70 °F ,和/或如果电池处于放电状态而开始加速。为了减轻腐蚀过程的作用，大多数电池公司将其研究集中于开发更耐腐蚀的铅合金以及减小在新制造的栅板中的机械应力的栅板制造方法。不管是哪种合金或栅板制造方法，基本所有的电池制造商都基于铅合金和栅板线横截面积来设计电池使用寿命。通常，这种设计转变为栅板厚度和对应板厚度的改变。较厚的栅板提供较长的寿命，但是通常牺牲了功率密度、成本、重量和体积。关于硫酸盐化失效，当铅酸电池处于开路，或者维持部分或完全放电状态一段时间时，在放电反应中形成的硫酸铅重结晶以形成低表面积的更大的硫酸铅晶体，其常称为硬硫酸铅。这种低表面积的非导电硫酸铅阻断了再充电所需的导电通路。这些晶体，尤其是距离电极栅板最远的那些晶体，难以转化回充电的铅和二氧化铅活性材料。甚至是很好保养的电池也将随时间失去一些容量，原因是在每次再充电期间不完全再充电的大的硫酸铅晶体的持续生长。因为密度为6.287g/立方厘米的这些硫酸盐晶体的体积也比原始糊料大约37%，所以它们使板发生机械变形并促使材料分开。所导致的板的膨胀和变形也导致活性材料与电极分离，从而产生相当的性能损失。硫酸盐化是娱乐应用中在旺季结束时的电池储存期间的主要问题。船、摩托车、雪上汽车在其不使用(off-use)月份中休眠，并且在保持不充电下放电至0%的充电状态，导致了电池渐进的硫酸盐化。因此，电池再也不能被再充电，被不可逆地破坏并且必须更换。随着使用者已开始了解到移动电话和膝上型计算机中的便携式电池产品，他们相应地变得适应于使电池下降至几乎没电，然后使其在几小时内回到满的完全充电和功率容量的方法。常规的铅酸电池由于其固有设计和活性材料应用限制，所以在应用中在每次放电事件期间移除小于约80%的额定容量时仅提供相对良好的循环寿命。当在应用中单次放电期间消耗100%的额定容量时，该类型电池的可放电和再充电的次数(即，循环寿命)显著降低。历史上使用的铅酸电池的许多新产品需要使循环寿命显著增加。最著名的实例是混合电动车辆，其在高倍率部分充电条件下运行。这是显著缩短典型铅酸电池循环寿命的惩罚性应用，因此使得汽车公司没有选择而寻求昂贵得多的镍金属氢化物电池并用锂离子电池进行实验。通常，铅酸电池需要显著长于便携式产品中看到的包含先进材料的竞争电池的再充电时间。铅酸电池的完全充电(例如，在电力车辆中发现的)可花费8至16个小时。在不间断电源(UPS)的情况下，快速充电速率对于确保质量性能以及降低后备设备的相关资本支出同时在最初的电池投入工作进行充电是必不可少的。环境条件例如振动也可导致铅酸电池退化，原因是活性材料与阴极或阳极的分离。较耐振动的电池(例如用于游船的电池)在电池内通常包括更厚的电极或特殊的减振结构。这增加了电池的重量和成本。因此，活性材料糊料增加的机械强度是高度期望的特征。用于生产铅酸电池的电池板的常规方法通常包括混合、固化和干燥操作，其中电池糊料中的活性材料经历用于建立化学和物理结构的化学和物理变化，并随后经历形成电池板所必需的后续机械强度。为了生产典型的电池板，按氧化铅、绒屑、水和硫酸的顺序将材料添加到工业中常见的商用糊料混合机中，然后混合成糊状稠度。绒屑组分是纤维材料，通常由聚酯、尼龙或丙烯酸类纤维构成，将其任选地添加到糊料中以增加涂浆板的机械强度。将“增量剂”组分常规地添加到由硫酸钡、炭黑和木素磺酸盐(酯)的混合物组成的负极糊料中，所述混合物添加到负极糊料中以改善电池的性能和循环寿命。在混合期间，在糊料中发生化学反应产生碱式硫酸铅，最常见的为三碱式硫酸铅。最终的糊料组合物是碱式硫酸铅、未反应的一氧化铅和残余的游离铅颗粒的混合物。上糊是制作电池板的方法。将该糊料分散到工业中常见类型的商用自动裱糊机中，其以高速度将糊料施用于由铅合金构成的栅板结构。涂浆板一般在工业中常见类型的隧道式干燥机中进行表面干燥，然后堆叠成列或放置在架上。然后将堆叠的或放置在架上的板放在固化室中。在整个涂浆和固化操作中非常重要的是，使糊料具有足够的机械强度以避免微裂纹形成，并因此增加糊料混合物的内电阻。高的内电阻可限制放电和充电的速率，并且导致充电/放电期间的局部加热和活性物质的化学降解增加。为了努力降低电池的高阻抗以加速形成(第一次充电)步骤，将炭黑添加到糊料中。然而，为了使炭黑适当分散，采用了表面活性剂，但是这些表面活性剂产生了对于炭黑颗粒而言难以降低的较高的阻抗。另外，因为由于粉末的非均匀接触电阻而通常有高阻抗的区域，所以通常施加导致水电解的过电压，在阴极生成氧，然后快速使炭黑降解。特别期望具有降低铅酸电池中阻抗的装置，其可避免对于充电的过电压需求以及对于阴极更持久的导电添加剂。
技术实现思路
本专利技术涉及包含多个离散的碳纳米管纤维的铅酸电池，所述离散的碳纳米管纤维的长径比为约10至约500，并且任选地其中所述离散的碳纳米管是端部开口的。碳纳米管纤维可包含约^^%至约15wt%的氧化水平。多个离散的碳纳米管的混合物可包含至少一种表面活性剂或分散助剂，其包含硫酸盐(酯)部分。可将经氧化的碳纳米管和离散的碳纳米管的组合物分散在水中以制备增量剂材料和/或电池糊料。本专利技术的另外一个方面是用于铅酸电池的电池糊料的材料，其包含长径比为约10至约500，优选约25至约250的多根离散的碳纳米管；有机材料和任选地至少一种无机盐(例如硫酸钡、四碱式硫酸铅、硫酸钙或锡氧化物)；以及任选地至少一种非纤维碳部分(例如石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：克莱夫·P·博什尼亚克，库尔特·W·斯沃格，
申请(专利权)人：分子钢筋设计有限责任公司，
类型：
国别省市：