本申請要求于2015年12月1日向韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請第10-2015-0170231號的優(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)：
鉛酸電池是價廉且非?？煽康目沙潆婋姵?，因此已被廣泛用于車輛，電動車?yán)绺郀柗蚯蜍嚨膭恿υ矗蛘吖I(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鑄造、輾擴(rolling expansion)、輥壓等等制備。然而，由于鉛合金是為了增強耐腐蝕性或改善強度而不是為了減輕重量使用的，相對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，因此鉛酸電池相對于其他可充電電池較重。已經(jīng)開發(fā)出了多種減輕電池重量的方法，例如，一種通過輕質(zhì)金屬(例如鋁等)鍍鉛來制備基底的方法，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，這樣的方法無法用在電池用的極性基團的焊接中，使得通過輕質(zhì)金屬鍍鉛制備的基底不能市售。如果是泡沫型基底，無法使用泡沫型基底，因為需要開發(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)計改良和開發(fā)的另外的技術(shù)是有必要的。
在該背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于增強對本發(fā)明背景的理解，因此，其可以包含不形成對本國中本領(lǐng)域技術(shù)人員而言已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本公開已經(jīng)致力于提供一種通過將鉛與碳混合以便在保持基底現(xiàn)有形狀的同時實現(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)本公開的一個示例性實施方式，用于制造鉛酸電池用基底的方法包括通過將鉛粉與碳粉混合來制備粉末混合物、并且通過將粉末混合物壓制成型來制備基底。
相對于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)本公開的另一個示例性實施方式，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)本公開的另一個示例性實施方式，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，基底的伸長率可以為3-5.5％。
與現(xiàn)有鉛酸電池相比，通過根據(jù)本公開的示例性實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，通過根據(jù)本公開的示例性實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。
具體實施方式
從以下對實施方式的描述中，本公開的各種優(yōu)點和特征以及實現(xiàn)它的方法將變得顯而易見。然而，本公開不限于本文詳述的實施方式，還可以以多種不同的形式實施?？梢蕴峁嵤┓绞揭员闶贡竟_完整，并且實施方式將對本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地傳達發(fā)明的范圍，因此本公開將被定義在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。在整個說明書中，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施方式中熟知的技術(shù)以避免對本公開的模糊解釋。除非另有定義，應(yīng)當(dāng)理解說明書中使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)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明，用語“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。進一步地，除非有相反的清楚說明，在本說明書中單數(shù)形式包括復(fù)數(shù)形式。
根據(jù)本公開的一個實例性實施方式，用于制備鉛酸電池用基底的方法包括通過將鉛粉和碳粉混合來制備粉末混合物，以及通過將粉末混合物壓制成型而制備基底。
在本公開中，使用鉛-碳復(fù)合材料來減輕基底的重量。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少時，即，小于5wt％時，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)混合過量的碳粉時，即多于15wt％時，機械性能例如硬度和伸長率可能降低。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，密度降低至小于成型前的密度。
在本公開中，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)使用兩種類型的鉛粉時，能夠使在兩種類型的粉末的混合過程中的空隙百分比(gap fraction)最小化，從而得到優(yōu)異的機械性能。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)。可以采用任何包括碳組分的粉末。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，在減輕重量和改善電化學(xué)性能方面也沒有問題。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，將粉末混合物壓制成型以制備基底。通過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，將不提供進一步詳細的說明。
當(dāng)將粉末混合物壓制成型時，壓制成型可以在約25℃至約150℃的溫度下以約50-200噸的壓力進行。在上述范圍內(nèi)，能夠制備具有優(yōu)異的機械性能的基底。
基于總的粉末混合物，根據(jù)本公開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)碳粉的量過小時，即，小于5wt％時，鉛酸電池的重量可能不會降低，而且，電阻和腐蝕密度可能不會改善。當(dāng)碳粉的量過大時，機械性質(zhì)例如硬度和伸長率可能受到負(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，與成型之前相比密度降低。
在本公開中，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增加孔隙率從而降低密度。然而，在這種情況下，硬度和伸長率顯著降低，從而使鉛酸電池的耐久性降低。在某個實施方式中，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，空隙百分比可以被最小化，從而獲得機械特征優(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?？梢圆捎萌魏伟ㄌ冀M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，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)本公開的實例性實施方式，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，伸長率可以為3-5.5％。
在下文中，將對本公開的實施例和比較例進行說明。然而，以下實施例僅是示例，本公開不限于以下實施例。
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。測定每個壓制成型基底的硬度和伸長率并匯總于表1中。用顯微維氏硬度計測定維氏硬度，通過拉伸測試測定伸長率。
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率顯著提高。
實施例1
用球磨機將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。用前述方法測定基底的硬度和伸長率，并用以下方法測定電阻和腐蝕電流密度，表2示出了測量的結(jié)果。
另外，硬度和伸長率通常彼此成反比，因此，它們不能被同時增加。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，在本公開中，將硬度值和伸長率值相乘以用于對比評價。用4點法測定電阻，用動電位陽極極化測試來測定腐蝕電流密度。
實施例2
如實施例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。
實施例3
如實施例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。
實施例4
如實施例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，在實施例1至實施例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，實施例2和3中的硬度和伸長率也很優(yōu)異。
本公開不限于以上實施例，而是可以以多種不同的形式進行制備，可以理解的是，本公開所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以以不改變本公開的技術(shù)構(gòu)思或基本特征的其他形式實施本公開。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實施方式是非限制性的，而在所有方面均是示例性的。