[发明专利]一种钛基板栅的制备方法

说明书

技术领域

本发明为一种钛基板栅的制备方法，属于化学工程领域。该钛基板栅有望应用于电动车、电动工具、脉冲发射以及军工等领域的铅酸电池。

背景技术

能源是人类社会生存发展的基础，从天然矿藏能源到电能的利用代表了科技发展的历程。近代，特别是上一世纪人类社会的飞速发展，使得人类资源消耗量急剧增加，致使以石油为主的传统化石能源日趋紧张，且造成大气污染越发严重，寻求可持续发展的途径、保护自然资源和自然环境成为21世纪的严重挑战。电能已经成为人类社会不可或缺的一种洁净的能源，任何其它资源利用一般都必须使用电能，电能的储存、转化、输送都用到电池/电容技术。电动汽车(包括纯电动车和混合电动车HEV)无污染、使用成本低且有望调谐电网系统夜间的谷电，成为目前的研究热点和未来交通工具的发展趋势。铅酸电池因其原料资源丰富、价格低廉、制备、维护工艺成熟和安全性好等特点，在电动车上有较好的应用前景，但目前其比能量、比功率低、循环寿命短的缺点制约了其在电动车上的应用。

铅酸电池比能量、比功率低，主要是因为电极活性物质占器件重量比太小，且活性物质利用效率较低。在当前铅酸电池中，集流体一般为铅质板栅，其重量常常占到铅酸电池器件的20％以上，严重制约了铅酸电池比能量的提高。若将铅质板栅换成较为轻的钛基板栅，则器件比能量能得到有效提高。

钛的表面有一层氧化钛钝化膜，该钝化膜导电性差，若直接将钛基板栅用作铅酸电池集流体，则铅活性物质与钛基板栅界面上会产生较大接触电阻，制约铅酸电池比功率。若对钛表面的二氧化钛钝化膜进行处理，将其变成导电的亚氧化钛膜，便能制备出性能优异的铅酸电池集流体。

亚氧化钛电极材料是由称作Magneli相的不同价态的氧化钛所组成的多晶无机材料。Magneli相是一系列钛的非化学计量氧化物的通称，其通式可表述为Ti_nO_2n-1(其中4＜n≤10)，包括Ti₄O₇，Ti₅O₉等亚氧化钛相，由X射线学家Magneli于上世纪五十年代确认它们具有独立的，可识别的晶体结构和明显不同的物化性能。

Megneli相亚氧化钛电极材料具有非常独特的物理，化学及电化学性能：

1.室温下良好的导电性：各种组分的亚氧化钛都具有导电性，其中Ti₄O₇和Ti₅O₉更是具有类金属的导电性，且Ti₄O₇的导电率达到了1500S/cm，超过了石墨。由于亚氧化钛电极材料为多晶相化合物，实际导电率由高导电率相的含量所决定，Ti₄O₇和Ti₅O₉含量高的电极材料导电率更为优越.

2.极强的化学稳定性：亚氧化钛在强酸(H₂SO₄，HNO₃，HCl甚至HF)和强碱溶液中都表现出非常高的稳定性，如在室温4mol/L的硫酸中，其半腐蚀周期达到50年。

3.独特的电化学性能：亚氧化钛具有良好的电化学惰性和极高的析氢析氧过电位，既可作为阳极也可作为阴极使用。

4.机械强度高：亚氧化钛具有良好的耐磨和耐机械冲刷能力。

Magneli相的亚氧化钛独特的物理、化学和电化学性能使其在化学储能、催化、防腐、环保等领域有极为广阔的应用前景，得到了各国科学家的重视。1983年，英国IMI Maston Ltd公司的Hayfield首先提出了用亚氧化钛TiO_x(X＝1.55～1.95)作为电极材料使用并申请了专利(USP4422917)。在此专利中，Hayfiled提出了制备亚氧化钛的方法：先将二氧化钛与有机粘结剂混合后压实成型，置于空气中于950～1600度烧结；然后在氢气中于1200度还原4小时得到TiO_1.75为主晶相的电极材料，其电阻率为1000*10^-6欧·厘米。同时，该专利对得到的亚氧化钛的化学稳定性进行了测试：在165g/L的含有微量氯离子和氟离子的硫酸中，亚氧化钛和钛金属的腐蚀失重分别是0.019g/m²·day和30.2g/m².day，可见亚氧化钛的化学稳定性远远高于钛金属，显示出优异的抗化学腐蚀性能。