[發明專利]一種鈦基板柵的制備方法

在審

• 申請號: 201210206922.9
• 申請日: 2012-06-21
• 公開（公告）號: CN103510041A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 張浩;黃一兵;曹高萍;徐斌;王惠平;楊裕生
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63971部隊;永興惠友新材料技術有限公司
• 主分類號: C23C8/12
• 分類號: C23C8/12;H01M4/62;H01M4/66;H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 中國人民解放軍防化研究院專利服務中心 11046
• 代理人: 劉永盛;林英

技術領域

本發明為一種鈦基板柵的制備方法，屬于化學工程領域。該鈦基板柵有望應用于電動車、電動工具、脈沖發射以及軍工等領域的鉛酸電池。

背景技術

能源是人類社會生存發展的基礎，從天然礦藏能源到電能的利用代表了科技發展的歷程。近代，特別是上一世紀人類社會的飛速發展，使得人類資源消耗量急劇增加，致使以石油為主的傳統化石能源日趨緊張，且造成大氣污染越發嚴重，尋求可持續發展的途徑、保護自然資源和自然環境成為21世紀的嚴重挑戰。電能已經成為人類社會不可或缺的一種潔凈的能源，任何其它資源利用一般都必須使用電能，電能的儲存、轉化、輸送都用到電池/電容技術。電動汽車(包括純電動車和混合電動車HEV)無污染、使用成本低且有望調諧電網系統夜間的谷電，成為目前的研究熱點和未來交通工具的發展趨勢。鉛酸電池因其原料資源豐富、價格低廉、制備、維護工藝成熟和安全性好等特點，在電動車上有較好的應用前景，但目前其比能量、比功率低、循環壽命短的缺點制約了其在電動車上的應用。

鉛酸電池比能量、比功率低，主要是因為電極活性物質占器件重量比太小，且活性物質利用效率較低。在當前鉛酸電池中，集流體一般為鉛質板柵，其重量常常占到鉛酸電池器件的20％以上，嚴重制約了鉛酸電池比能量的提高。若將鉛質板柵換成較為輕的鈦基板柵，則器件比能量能得到有效提高。

鈦的表面有一層氧化鈦鈍化膜，該鈍化膜導電性差，若直接將鈦基板柵用作鉛酸電池集流體，則鉛活性物質與鈦基板柵界面上會產生較大接觸電阻，制約鉛酸電池比功率。若對鈦表面的二氧化鈦鈍化膜進行處理，將其變成導電的亞氧化鈦膜，便能制備出性能優異的鉛酸電池集流體。

亞氧化鈦電極材料是由稱作Magneli相的不同價態的氧化鈦所組成的多晶無機材料。Magneli相是一系列鈦的非化學計量氧化物的通稱，其通式可表述為Ti_nO_2n-1(其中4＜n≤10)，包括Ti₄O₇，Ti₅O₉等亞氧化鈦相，由X射線學家Magneli于上世紀五十年代確認它們具有獨立的，可識別的晶體結構和明顯不同的物化性能。

Megneli相亞氧化鈦電極材料具有非常獨特的物理，化學及電化學性能：

1.室溫下良好的導電性：各種組分的亞氧化鈦都具有導電性，其中Ti₄O₇和Ti₅O₉更是具有類金屬的導電性，且Ti₄O₇的導電率達到了1500S/cm，超過了石墨。由于亞氧化鈦電極材料為多晶相化合物，實際導電率由高導電率相的含量所決定，Ti₄O₇和Ti₅O₉含量高的電極材料導電率更為優越.

2.極強的化學穩定性：亞氧化鈦在強酸(H₂SO₄，HNO₃，HCl甚至HF)和強堿溶液中都表現出非常高的穩定性，如在室溫4mol/L的硫酸中，其半腐蝕周期達到50年。

3.獨特的電化學性能：亞氧化鈦具有良好的電化學惰性和極高的析氫析氧過電位，既可作為陽極也可作為陰極使用。

4.機械強度高：亞氧化鈦具有良好的耐磨和耐機械沖刷能力。

Magneli相的亞氧化鈦獨特的物理、化學和電化學性能使其在化學儲能、催化、防腐、環保等領域有極為廣闊的應用前景，得到了各國科學家的重視。1983年，英國IMI?Maston?Ltd公司的Hayfield首先提出了用亞氧化鈦TiO_x(X＝1.55～1.95)作為電極材料使用并申請了專利(USP4422917)。在此專利中，Hayfiled提出了制備亞氧化鈦的方法：先將二氧化鈦與有機粘結劑混合后壓實成型，置于空氣中于950～1600度燒結；然后在氫氣中于1200度還原4小時得到TiO_1.75為主晶相的電極材料，其電阻率為1000*10^-6歐·厘米。同時，該專利對得到的亞氧化鈦的化學穩定性進行了測試：在165g/L的含有微量氯離子和氟離子的硫酸中，亞氧化鈦和鈦金屬的腐蝕失重分別是0.019g/m²·day和30.2g/m².day，可見亞氧化鈦的化學穩定性遠遠高于鈦金屬，顯示出優異的抗化學腐蝕性能。