本申請(qǐng)要求于2015年12月1日向韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第10-2015-0170231號(hào)的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其整體內(nèi)容在此引入作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
本公開(kāi)涉及一種制造作為鉛酸電池中的集電器的基底的方法，用于制造鉛酸電池的粉末混合物，以及用于鉛酸電池的基底。
背景技術(shù)：
鉛酸電池是價(jià)廉且非?？煽康目沙潆婋姵?，因此已被廣泛用于車(chē)輛，電動(dòng)車(chē)?yán)绺郀柗蚯蜍?chē)的動(dòng)力源，或者工業(yè)設(shè)備例如不間斷電源(UPS)設(shè)備等。
通常，鉛酸電池使用硫酸溶液作為電解質(zhì)，其是強(qiáng)酸，因此，用于鉛酸電池的基底必須由耐腐蝕的材料制成。因此，耐硫酸的鉛和鉛合金常被用作基底材料。用于鉛酸電池的基底通常通過(guò)鑄造、輾擴(kuò)(rolling expansion)、輥壓等等制備。然而，由于鉛合金是為了增強(qiáng)耐腐蝕性或改善強(qiáng)度而不是為了減輕重量使用的，相對(duì)少量的合金被用在鉛合金中，并且鉛合金并不適合作為材料或輕質(zhì)基底。
形成鉛酸電池的組成材料，例如基底、活性材料等由高密度的鉛制成，因此鉛酸電池相對(duì)于其他可充電電池較重。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種減輕電池重量的方法，例如，一種通過(guò)輕質(zhì)金屬(例如鋁等)鍍鉛來(lái)制備基底的方法，以及一種用于制備泡沫型多孔基底的方法。輕質(zhì)金屬鍍鉛的方法可以顯著地減輕基底的重量。然而，這樣的方法無(wú)法用在電池用的極性基團(tuán)的焊接中，使得通過(guò)輕質(zhì)金屬鍍鉛制備的基底不能市售。如果是泡沫型基底，無(wú)法使用泡沫型基底，因?yàn)樾枰_(kāi)發(fā)不同于現(xiàn)有活性材料的另一種活性材料并且電池的形狀改變，因此，設(shè)計(jì)改良和開(kāi)發(fā)的另外的技術(shù)是有必要的。
在該背景技術(shù)部分公開(kāi)的上述信息僅用于增強(qiáng)對(duì)本發(fā)明背景的理解，因此，其可以包含不形成對(duì)本國(guó)中本領(lǐng)域技術(shù)人員而言已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本公開(kāi)已經(jīng)致力于提供一種通過(guò)將鉛與碳混合以便在保持基底現(xiàn)有形狀的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)的基底制造方法，用于制造該基底的粉末混合物，以及用于鉛酸電池的基底。
根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)示例性實(shí)施方式，用于制造鉛酸電池用基底的方法包括通過(guò)將鉛粉與碳粉混合來(lái)制備粉末混合物、并且通過(guò)將粉末混合物壓制成型來(lái)制備基底。
相對(duì)于100wt％的粉末混合物，可以將85-95wt％的鉛粉與5-15wt％的碳粉混合。
鉛粉可以是Pb-Sn-Ca合金粉末。
鉛粉可以包括一種粒徑為10-50μm的鉛粉和另一種粒徑為200-250μm的鉛粉。
相對(duì)于100wt％鉛粉，鉛粉可以包括40-75wt％的粒徑為10-50μm的鉛粉和25-60wt％的粒徑為200-250μm的鉛粉。
碳粉可以包括石墨、炭黑或碳納米管。
碳粉可以具有1-5μm的平均粒徑。
粉末混合物可以在25-150℃的溫度下以50-200噸的壓力壓制成型。
根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)示例性實(shí)施方式，用于制備鉛酸電池用基底的粉末混合物包括85-95wt％的鉛粉和5-15wt％的碳粉。
鉛粉可以是Pb-Sn-Ca合金粉末。
鉛粉可以包括一種粒徑為10-50μm的鉛粉和另一種粒徑為200-250μm的鉛粉。
相對(duì)于100wt％鉛粉，鉛粉可以包括40-75wt％的粒徑為10-50μm的鉛粉和25-60wt％的粒徑為200-250μm的鉛粉。
碳粉可以包括石墨、炭黑或碳納米管。
碳粉可以具有1-5μm的平均粒徑。
根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)示例性實(shí)施方式，用于鉛酸電池的基底包括85-95wt％的鉛和5-15wt％的碳。
基底的硬度可以為13-18Hv，基底的伸長(zhǎng)率可以為3-5.5％。
與現(xiàn)有鉛酸電池相比，通過(guò)根據(jù)本公開(kāi)的示例性實(shí)施方式的方法制備的鉛酸電池用基底能夠?qū)⒒椎膶挾葴p少約40％。這意味著參照68Ah的電池約減輕了1kg的重量。
與現(xiàn)有基底相比，通過(guò)根據(jù)本公開(kāi)的示例性實(shí)施方式的方法制備的鉛酸電池用基底具有較低的電阻，因此能夠預(yù)料10％的充電/放電性能提高和5％的耐久性提升。
具體實(shí)施方式
從以下對(duì)實(shí)施方式的描述中，本公開(kāi)的各種優(yōu)點(diǎn)和特征以及實(shí)現(xiàn)它的方法將變得顯而易見(jiàn)。然而，本公開(kāi)不限于本文詳述的實(shí)施方式，還可以以多種不同的形式實(shí)施?？梢蕴峁?shí)施方式以便使本公開(kāi)完整，并且實(shí)施方式將對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地傳達(dá)發(fā)明的范圍，因此本公開(kāi)將被定義在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，相似的附圖標(biāo)記指代相似的元件。
因此，不再詳述在一些示例性實(shí)施方式中熟知的技術(shù)以避免對(duì)本公開(kāi)的模糊解釋。除非另有定義，應(yīng)當(dāng)理解說(shuō)明書(shū)中使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解相同的含義。此外，除非有相反的清楚說(shuō)明，用語(yǔ)“包括”和變形例如“包含”或“含有”將被理解為表明包含規(guī)定的元素，但并不排除任何其他元素。進(jìn)一步地，除非有相反的清楚說(shuō)明，在本說(shuō)明書(shū)中單數(shù)形式包括復(fù)數(shù)形式。
根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)例性實(shí)施方式，用于制備鉛酸電池用基底的方法包括通過(guò)將鉛粉和碳粉混合來(lái)制備粉末混合物，以及通過(guò)將粉末混合物壓制成型而制備基底。
在本公開(kāi)中，使用鉛-碳復(fù)合材料來(lái)減輕基底的重量。由于碳與鉛的固溶性幾乎接近于0，難以生產(chǎn)碳和鉛的合金。因此，與固溶性不相關(guān)的粉末燒結(jié)被用于使鉛和碳混合。
首先，通過(guò)將鉛粉與碳粉混合而產(chǎn)生粉末混合物。
在此情況下，基于100wt％的粉末混合物，粉末混合物可以包括85wt％-95wt％的鉛粉和5wt％-15wt％的碳粉。
當(dāng)粉末混合物中碳粉的量過(guò)少時(shí)，即，小于5wt％時(shí)，基底的重量不減輕，電阻和腐蝕密度改善效應(yīng)變得不明顯。當(dāng)混合過(guò)量的碳粉時(shí)，即多于15wt％時(shí)，機(jī)械性能例如硬度和伸長(zhǎng)率可能降低。因此，以上述范圍混合鉛粉和碳粉。
作為鉛粉，可以使用純的鉛金屬粉。然而不限于此，可以使用鉛合金粉，例如，可以使用Pb-Sn-Ca合金粉末。在某一實(shí)施方式中，Pb-Sn-Ca合金粉末可以包括0.1wt％-2.0wt％的Sn、0.01wt％-0.1wt％的Ca和余量的Pb。Pb-Sn-Ca合金粉末具有優(yōu)異的耐酸性，在電池充電/放電期間抑制氫氣產(chǎn)生，從而降低了電池中電解質(zhì)減少。
由于鉛粉的硬度非常低，在壓制成型期間孔隙率隨著鉛粉尺寸而變化。當(dāng)鉛粉被壓制成型時(shí)，密度降低至小于成型前的密度。
在本公開(kāi)中，可以將具有兩種不同尺寸的鉛粉混合。為了減輕重量，使用一種尺寸的鉛粉以增加孔隙率從而降低密度是有利的。然而，在這種情況下，硬度和伸長(zhǎng)率顯著降低，由此使鉛酸電池的耐久性降低。具體而言，可以將粒徑為10-50μm的鉛粉與粒徑為200-250μm的鉛粉混合。如上所述，當(dāng)使用兩種類(lèi)型的鉛粉時(shí)，能夠使在兩種類(lèi)型的粉末的混合過(guò)程中的空隙百分比(gap fraction)最小化，從而得到優(yōu)異的機(jī)械性能。例如，可以將40-75wt％的粒徑為10-50μm的鉛粉與25-60wt％的粒徑為200-250μm的鉛粉混合以形成100wt％的鉛粉。在上述范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)重量的減輕和機(jī)械性質(zhì)的改善。
除了降低鉛酸電池的重量外，碳粉的混合還改善電化學(xué)性質(zhì)?？梢圆捎萌魏伟ㄌ冀M分的粉末。具體而言，碳組分可以包括石墨、炭黑或碳納米管(CNT)?？梢允褂镁哂袃?yōu)異導(dǎo)電性的高純度碳，例如炭黑或碳納米管。然而，即使使用石墨材料時(shí)，在減輕重量和改善電化學(xué)性能方面也沒(méi)有問(wèn)題。在此，碳粉可以具有1-5μm的平均粒徑以與鉛粉均勻混合。
接下來(lái)，將粉末混合物壓制成型以制備基底。通過(guò)這樣的方法制備的基底可以直接應(yīng)用到現(xiàn)有的電池制備工序中。使用該基底的電池制備工序可以采用一般方法，因此，將不提供進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
當(dāng)將粉末混合物壓制成型時(shí)，壓制成型可以在約25℃至約150℃的溫度下以約50-200噸的壓力進(jìn)行。在上述范圍內(nèi)，能夠制備具有優(yōu)異的機(jī)械性能的基底。
基于總的粉末混合物，根據(jù)本公開(kāi)用于制備鉛酸電池用基底的粉末混合物可以包括85wt％-95wt％的鉛粉和5wt％-15wt％的碳粉。
當(dāng)碳粉的量過(guò)小時(shí)，即，小于5wt％時(shí)，鉛酸電池的重量可能不會(huì)降低，而且，電阻和腐蝕密度可能不會(huì)改善。當(dāng)碳粉的量過(guò)大時(shí)，機(jī)械性質(zhì)例如硬度和伸長(zhǎng)率可能受到負(fù)面影響。因此，以上述范圍將鉛粉和鉛粉混合。
鉛粉可以包括純的鉛金屬粉末，但是也可以包括鉛合金粉末。在某一實(shí)施方式中，鉛粉可以包括Pb-Sn-Ca合金粉末。例如，Pb-Sn-Ca合金粉末可以包括0.1wt％-2.0wt％的Sn、0.01wt％-0.1wt％的Ca和余量的Pb。Pb-Sn-Ca合金粉末具有優(yōu)異的耐酸性，并在電池充電/放電期間抑制氫氣生成，從而使電池的電解質(zhì)減少降至最低。
由于鉛粉的硬度非常低，在壓制成型期間孔隙率隨著鉛粉尺寸改變。當(dāng)鉛粉被壓制成型時(shí)，與成型之前相比密度降低。
在本公開(kāi)中，可以混合具有兩種不同尺寸的鉛粉待用。為了減輕重量，一種尺寸的鉛粉可以用來(lái)增加孔隙率從而降低密度。然而，在這種情況下，硬度和伸長(zhǎng)率顯著降低，從而使鉛酸電池的耐久性降低。在某個(gè)實(shí)施方式中，可以將粒徑為10-50μm的鉛粉和粒徑為200-250μm的鉛粉混合。當(dāng)使用具有兩種不同尺寸的鉛粉時(shí)，空隙百分比可以被最小化，從而獲得機(jī)械特征優(yōu)異的鉛酸電池。例如，可以將40-75wt％的粒徑為10-50μm的鉛粉與25-60wt％的粒徑為200-250μm的鉛粉混合以形成100wt％的鉛粉。在上述范圍內(nèi)，鉛酸電池的重量可以被減輕且機(jī)械性能可得到改善。
除了減輕鉛酸電池的重量以外，碳粉的混合還改善電化學(xué)性能。可以采用任何包括碳組分的粉末。例如，碳組分可以包括石墨、炭黑或碳納米管(CNT)，并且可以使用具有優(yōu)異導(dǎo)電性的高純度碳，例如炭黑或碳納米管。以這樣的方式，即使使用石墨材料時(shí)，也能夠減輕重量并改善電化學(xué)性質(zhì)。碳粉可以具有1-5μm的平均粒徑。在上述范圍內(nèi)，碳粉能夠與鉛粉均勻地混合。
根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)例性實(shí)施方式，用于鉛酸電池的基底包括85-95wt％的鉛和5-15wt％的碳。硬度可以為13-18Hv，伸長(zhǎng)率可以為3-5.5％。
在下文中，將對(duì)本公開(kāi)的實(shí)施例和比較例進(jìn)行說(shuō)明。然而，以下實(shí)施例僅是示例，本公開(kāi)不限于以下實(shí)施例。
制備例——鉛粉的制備
用霧化法將Pb-1.2Sn-0.07Ca合金錠熔融以制備鉛粉。根據(jù)鉛粉的粒徑的類(lèi)型，分別制備粒徑為10-50μm的鉛粉(制備例1)、粒徑為50-100μm的鉛粉(制備例2)、粒徑為100-150μm的鉛粉(制備例3)、粒徑為150-200μm的鉛粉(制備例4)和粒徑為200-250μm的鉛粉(制備例5)。進(jìn)一步地，分別制備重量比為50:70的制備例1和制備例5的混合物(制備例6)，重量比為50:50的制備例1和制備例5的混合物(制備例7)，和重量比為30:70的制備例1和制備例5的混合物(制備例8)。
用200噸的壓力將各種制備的鉛粉壓制成型為尺寸為140×140mm2的成型基底。測(cè)定每個(gè)壓制成型基底的硬度和伸長(zhǎng)率并匯總于表1中。用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)定維氏硬度，通過(guò)拉伸測(cè)試測(cè)定伸長(zhǎng)率。
表1
如表1所示，與其他制備例相比，在制備例6和7中，密度略高而硬度和伸長(zhǎng)率顯著提高。
實(shí)施例1
用球磨機(jī)將4wt％的平均粒徑為2.5μm的石墨粉與96wt％的制備例7的鉛粉均勻混合。用200噸的壓力將混合物壓制成型為尺寸為140×140mm2的成型基底。用前述方法測(cè)定基底的硬度和伸長(zhǎng)率，并用以下方法測(cè)定電阻和腐蝕電流密度，表2示出了測(cè)量的結(jié)果。
另外，硬度和伸長(zhǎng)率通常彼此成反比，因此，它們不能被同時(shí)增加。因此，出于耐久性考慮應(yīng)當(dāng)將兩種特性適當(dāng)?shù)亟M合，在本公開(kāi)中，將硬度值和伸長(zhǎng)率值相乘以用于對(duì)比評(píng)價(jià)。用4點(diǎn)法測(cè)定電阻，用動(dòng)電位陽(yáng)極極化測(cè)試來(lái)測(cè)定腐蝕電流密度。
實(shí)施例2
如實(shí)施例1制備基底，除了將8wt％的石墨粉與92wt％的制備例7的平均粒徑為2.5μm的鉛粉混合。
實(shí)施例3
如實(shí)施例1制備基底，除了將13wt％的石墨粉與87wt％的制備例7的平均粒徑為2.5μm的鉛粉混合。
實(shí)施例4
如實(shí)施例1制備基底，除了將16wt％的石墨粉與84wt％的制備例7的平均粒徑為2.5μm的鉛粉混合。
比較例1
如實(shí)施例1制備基底，除了僅使用制備例7的鉛粉而不混合碳粉。
表2
如表2所示，與不混合碳粉的比較例1相比，在實(shí)施例1至實(shí)施例4中密度、電阻和腐蝕電流密度改善。此外，除了電阻和腐蝕電流密度之外，實(shí)施例2和3中的硬度和伸長(zhǎng)率也很優(yōu)異。
本公開(kāi)不限于以上實(shí)施例，而是可以以多種不同的形式進(jìn)行制備，可以理解的是，本公開(kāi)所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以以不改變本公開(kāi)的技術(shù)構(gòu)思或基本特征的其他形式實(shí)施本公開(kāi)。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施方式是非限制性的，而在所有方面均是示例性的。