[發明專利]碳-碳復合材料電極蓄電池及其制造工藝

無效

• 申請號: 92100485.0
• 申請日: 1992-01-29
• 公開（公告）號: CN1075031A
• 公開（公告）日: 1993-08-04
• 發明（設計）人: 孫正軍;蔡紅;馬大成
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/70;H01M4/82;H01M10/20
• 代理公司: 北京市第九專利代理事務所
• 代理人: 唐愛華,王順榮

本發明屬電化學技術領域，是采用碳一碳復合材料制造蓄電池電極，以代替傳統的金屬電極。

隨著世界石油資源不斷減少，國外已投入大量資金研制以新型能源為動力的交通工具。特別是我國，人口眾多，，石油資源貧乏，根本不具備普及汽車的條件。因此大力發展新型能源為動力的交通工具，具有重要意義。

從國外發展情況來看，古老的蓄電池仍具有重要作用。美國通用動力公司已發展了一種一次充電后可行駛200公里的電瓶汽車。從一般情況看，如果達到一次充電后行駛500公里，可反復充放電400次后，則具有同目前汽車相競爭的實力投入市場。當然隨著石油資源減少，石油價格提高，這種新型能源為動力的交通工具優點，將越來越大。例如W.Barcus《Gotes????Engerg????Product????Battery????Application????Manual》（1980）。這種以蓄電池為動力交通工具有使用成本低，不污染環境，維護方便等一系列優點。但是限制其使用的主要問題在于蓄電池的重量，主要指標是“質量比能量”。目前電瓶車所用蓄電池質量比能量僅有15～30瓦小時/公斤，若提高到150～200瓦小時/公斤，則有較高的實用價值。

對于一般蓄電池而言，質量比能量和使用壽命是兩個至關重要的參數。由于電池采用酸性或堿性溶液，這些溶液對金屬電極有強烈的腐蝕性，為了延長使用壽命必須制備大而笨重的電池。

為了克服上述不足，本發明的目的是采用碳纖維及其增強的碳一碳復合材料制造重量輕，耐腐蝕性好，壽命長，儲電量大，強度高的蓄電池電極。

眾所周知，碳纖維是一種新型工程材料，廣泛地使用在航空航天領域。其特點是重量輕，強度高，有良好導電性和耐腐蝕性。特別是利用碳纖維增強的“碳一碳”復合材料可以說是最好的電極材料。使用這種材料制成三角蜂窩形狀的蓄電池電極重量輕，儲電量大，耐腐蝕性好，壽命長。

蓄電池也稱為二次電池，主要有酸性和堿性兩種。由于酸性電池原材料便宜，來源豐富，生產工藝簡單，電池電壓高，內阻小，電性能可靠等一系列優點，目前95%以上均采用酸性電池。

本發明選用“二氧化鉛一鋅”酸性電池，這種電池電壓高，極限容量可達300瓦小時/公斤。由于負極采用碳纖維鍍鋅制成。可有較高的使用壽命。正極采用常規的二氧化鉛電極，并使用碳一碳復合材料制成的正三角蜂窩狀極板，有較大的儲電量，同時，“碳一碳”復合材料電池電極也可用在“二氧化鉛一鉛”蓄電池上。“二氧化鉛一鋅”電池電極的極限容量可達300瓦小時/公斤，若利用率達50%，實用質量比能量將達150瓦小時/公斤。這種電池有較高的應用價值，同目前使用的鉛蓄電池相比，重量減輕了五分之四。可以用在交通工具上。

碳一碳復合材料電極蓄電池如圖1所示，由正極板（5），負極板（3），隔板（4），沉淀槽（6），匯流排（1）和密封容器（2）組成。充電后正極板上生成二氧化鉛PbO₂，負極板則生成鋅Z_n。放電時，正極板上的二氧化鉛反應生成硫酸鉛PbSO₄，負極板上鋅則生成硫酸鋅Z_nSO₄。其電池反應如下：

鋅的標準電極電位為-0.763伏。二氧化鉛標準電極電位為+1.685伏該電池標準電壓為2.448伏。經計算，該電池極限容量可達300瓦小時/公斤，利用率為50%時，則實際質量比能量可達150瓦時/公斤。

本發明的關鍵技術在于碳纖維增強的三角蜂窩結構的正極板，也就是二氧化鉛極板。制備工藝流程如圖2所示。首先要準備模具，模具如圖3所示。模具由四氟乙烯制成，上面有布線間隙（7）。空隙的深度相當于極板的厚度，寬度和幾何形狀還可根據情況變化。本發明采用正三角形，原因是結構穩定性好，布線方便。還可采用園形，六邊形等形狀。

第二步是布線固化，選用有關樹脂基體后，可根據配方配制膠液，配好膠液后可將碳纖維浸膠，浸膠后涼干，待溶劑揮發后，可將浸膠纖維通過布線方式，布入模具布線間隙內固化。固化后脫模，則制成三角形蜂窩狀碳纖維增強復合材料。

固化后的蜂窩在隋性氣氛下高溫燒結，根據需要可反復浸膠，燒結碳化。直至制成“碳一碳”復合材料正三角形蜂窩狀電池電極。

該電池電極為二氧化鉛正極板，經常規的涂鉛膏，壓板，淋酸，干燥，化成等工藝可制成“二氧化鉛一鋅”蓄電池的極板（5）。