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铅酸蓄电池板栅材料综述
作者:陈国加入时间:2005-1-715:43:57点击次数:1012
铅酸蓄电池在功率密度与比能量方面，由于铅的密度大而存在先天不足；同时作为非活性部件的板栅，使用铅作为材料时，其比能量进一步降低。为尽可能弥补这一缺陷，人们对板栅进行了大量研究。最初的铅酸蓄电池，是用两块铅板在硫酸溶液中通过反复多次的充放电循环变为电池的正负极，无所谓板栅可言。1880年，Faure[1]提出了涂膏式极板，即将铅膏涂在薄铅板上，铅板作为集流体。1881年，Swan首先提出板栅的概念，取代以前所用的铅板。这之后，Sellon[2]发明了铅锑合金板栅，其他各种各样的板栅也相继出现。
作为非活性部件的板栅，主要具有两大功能：支撑活性物及导电。理论上，只要具有这两种功能并在硫酸电解质中稳定的材料，都可用作板栅。自铅酸蓄电池诞生以来，研究过的板栅材料大致可分为3类：铅合金材料、复合材料及其他板栅材料。铅合金作为铅酸蓄电池板栅采用的主要材料，已在许多文献[3—10]中进行过综述，在此不予赘述。
1复合材料
在铅酸蓄电池中，研究过的复合板栅材料大致可分为3类：分散增强铅，纤维增强铅及铅塑料复合材料。
1.1分散增强铅
在改善合金的机械性能时，有许多种方法可使其强度增加，如锑在铅中的加入是通过形成低共熔物(富锑的β相)分散于铅固熔体树枝晶(α相)间而使强度得到增强；而钙则是通过固熔体中Ph3Ca沉淀而增加机械强度等。除此之外，也可通过向合金中加入不溶的分散性微粒而增强。分散增强铅在60～70年代获得高度注意并受到广泛研究。主要是尝试通过非普通合金化技术使铅的物理化学性能得到改善。它将微米级的不溶物(第二相)粉末均匀地分散于铅或铅合金中，成为铅或铅合金中微观组织结构的一部分，从而直接或间接地影响其性能。根据制造工艺的不同，分散增强铅可分为如下3类：
1.1.1粉末冶金技术制造的分散增强铅
有许多种物质在铅中具有不溶或溶解度极低的特性，他们都可分散于铅中改变其性能。已研究过的分散于铅中的不溶物有：PbO[11，12]，铜，铝，铬13，AI2O[14]，镍[15]，碳化钨，碳化硅[16]等，其中，氧化铅分散增强铅最为引人注目，并于1970年由St.joeMineralsCorporation公司研制成功。这些材料一般是将铅或铅合金的粉末及不溶的第二相粉末均匀地混合后，将此混合物压紧、烧结、并按粉末冶金中使用的工艺成型。当然，与粉末冶金技术相比，分散增强铅制造时对条件要求不太严格，手段也可多种多样。如将氧化铝粉末与铅粉均匀地混合、压紧后，还原除去铅粉表面的氧化铅层，烧结、成型就制得氧化铝增强铅[17]。氧化铝增强铅也可通过在含有铅及铝化合物的水溶液中电解，金属共沉积出铅及铝，加热使其变成氧化物，氢气还原后得到均匀混合的铅与氧化铝粉末，再烧结、成型而得到[18]。
金属(如铜、铝等)分散增强铅通常采用将其熔融合金快速冷却的方法，如雾化法，而得到混合均匀的粉末，然后再压紧成型[19]。
1.1.2固化方法制得的分散增强铅
除采用粉末压紧方法之外，不溶性的分散微粒也可通过在熔融合金或金属完全固化之前手工注入，还可由熔融合金在固化的初始阶段自发生成的产物作为分散性微粒(适用于一些特殊的合金体系)，后一过程称为自发分散，以区别于普通合金中固态沉淀(或称固熔体脱溶)引起的时效硬化过程。
关于自发分散增强铅，研究了许多体系，其中最受关注的是铅锌体系。随着体系中锌含量的变化，固化初始阶段形成的分散体的数量和性质也发生改变，从而影响凝固过程中铅相晶粒的成核，也会由于晶界制约效应影响晶粒的形状。随锌含量的增加，平均晶粒尺寸下降，晶粒形状也愈加不规则。
合金在铸造后，还必须经过机械加工，有的还须热处理或在较高温度下加工。如果不加入这些不溶性分散微粒，上述处理过程会导致重结晶及蠕变加速，从而引起合金软化。不溶性分散微粒由于晶界制约效应，可以阻止晶界迁移与滑动，防止重结晶，增加蠕变阻力。但是，锌增强铅在电池中使用的可行性并未得到实验证明。砷、钡、银及其他一些元素对铅也具有相似的特性。
1.1.3机械加工与热处理制得的分散增强铅
长期以来，出于成本方面的考虑，铅合金板栅一般都是采用铸造的方法。近年来，对板栅性能要求越来越高，采用多道工序精心制作的板栅相继出现。机械加工与热处理是经常采用的手段之一。机械加工与热处理必须遵循的原则之一是应使合金各个部位所受到的处理及处理的程度保持一致，以保持合金微观组织结构的均匀性。为此常采用机械加工与热处理反复交替进行的方法[20,21]。
1.2纤维增强铅
制作材料时的纤维复合思想自古就有，随着技术不断进步，今天纤维增强复合材料(如塑料、镁合金、铝合金等)已被广泛用于体育用品、人造卫星、航天飞机等各个方面。高强度纤维有玻璃纤维、碳纤维等