CN101101998A - 电动汽车用高容量长寿命金属丝编织轻型板栅铅酸电池 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车用高容量金属丝编织轻型板栅铅酸蓄电池，由正负极板、隔板、外壳、连接件、梳分卡、接线桩头、电解液组成。其技术特点在于：正极板用钛丝编织制成板栅，其中的钛丝经过无机导电涂层和有机导电涂层多层电极修饰处理，负极板用铜丝编织制成板栅，铜丝经铅涂层电极修饰处理，还对正极活性物质施加了初始压力，这一措施提高了电池容量，重量比容量一般可达80WH/kg。该电池可用于起动电源、照明电源、手机电源、电脑电源，特别适用于电动汽车、电动摩托、电动自行车作动力电源。

Description

电动汽车用高容量长寿命金属丝编织轻型板栅铅酸电池

本发明涉及一种轻型板栅铅酸蓄电池，属能源领域电池类别。

目前公知的铅酸蓄电池有二种类型，其一是以铅或铅合金为原料制成板栅的普通型铅酸蓄电池；二是以非铅原料制成板栅的轻型板栅铅酸蓄电池，筒称轻型铅酸电池。普通铅酸电池由板栅涂膏后制成的极板、隔板、连接件、接线桩头、电解液、外壳组成，是目前最通用、质量最稳定、价格最低廉的汽车起动电源，也可应用于其它领域。但它存在以下缺点：1.铅的比重大，电池的重量比容量难以提高。2.铅或铅合金在硫酸电解液内的腐蚀速度较快，要求栅筋有相应的腐蚀余量，所以其栅筋直径较粗大。3.由于铸造困难和栅筋粗大原因，栅筋间距也要求较大，一般在4×8mm以上，否则活性物质填膏量减少。4.极板厚度大。由于存在以上缺点，普通铅酸电池(以涂膏平面板式极板电池为例)的铅膏(活性物质)铅金属(板栅加连接件总和)重量比一般在1∶1以下，活性物质利用率在55％以下，重量比容量在45w/H以下，使用寿命在深循环300～500次左右，可用一至二年。该电池属低容量低寿命电池，不适合用作电动车动力电源。

轻型板栅铅酸蓄电池是普通铅酸电池的改正型，具有大容量、长寿命的特点，人类对于轻型板栅铅酸电池的研究由来已久，特别是近来高聚物修饰电极技术的出现，为轻型板栅铅酸电池技术的进步提供了技术基础。目前世界各国对于轻型板栅铅酸电池的研究还停留在实验阶段，由于产品稳定性差，产品不能进入实用阶段。轻型板栅中的钛丝编织正电极技术是轻型板栅铅酸电池中较早进入研究目标，技术较为成熟的一种。钛在H₂SO₄中呈钝态，防腐性能好，在钛表面涂上SnO₂+Sb₂O₃或SnO₂+SbO_x+IrO₃涂层对钛基表面进行修饰，然后再镀上β-PbO₂可以制成与铅合金寿命相当的正极电极板栅。但问题是不能制成稳定耐久的PbO₂涂层，使得钛丝编织轻型板栅铅酸电池不能进入实用阶段。

为了克服现有正极钛丝编织轻型板栅铅酸电池技术的不足，本发明提供一种钛丝编织轻型板栅正极和铜丝编织负电极及其组成的铅酸电池，该电池能够进一步提高钛丝电极的防腐能力，保证β-PbO₂涂层的稳定耐久性，使电池进入实用阶段。

本发明为解决现有电池的技术问题采用以下技术方案：

轻型板栅铅酸电池的构造与普通铅酸电池基本相同，也是由正极板、负极板、隔板组成极板群，极板群与连接件、外壳、接线桩头、电解液组成电池，有所不同的是正负极板的板栅的材质不同，普通铅酸电池的材质是铅或铅合金，而轻型铅酸电池的材质有金属类如：钛、铜、铝、镁、锡及它们的合金，不锈钢等，非金属类如导电塑料、导电高聚物、塑料镀金属、导电陶瓷、导电玻璃等。本发明采用钛丝编织轻型板栅，结合电极修饰原理及普通电池制造技术，解决了以下技术问题：

1.电池正极板板栅腐蚀失效是影响钛丝编织轻型极板寿命的首要问题，为此本发明把钛丝与极耳熔铸成一体，再进行修饰导电陶瓷或导电玻璃或导电氧化物涂层，其后再修饰导电高聚物或导电塑料涂层，对钛丝、极耳及连着的横边框进行双层修饰。通过对修饰层材质和厚度的调节，可以调整不溶阳极腐蚀寿命。

2.正极板β-PbO₂涂层不能稳定持久问题，本发明采用对钛丝涂上一层导电塑料或导电高聚物或导电胶粘剂，在涂层未干时喷涂上β-PbO₂颗粒涂层，使颗粒粒径的一部份进入导电塑料或导电高聚物或导电胶粘剂涂层，干固在钛丝上，另一部份露出在外面与今后的铅膏结合，确保β-PbO₂涂层的稳定持久。

3.负极板电极修饰：负极板栅不存在氧化腐蚀问题，本发明采用在铜丝表面涂上一层铅或铅合金涂层，使铜丝今后与铅膏更牢固而持久地结合在一起。

4.正负极板的制造：本发明采用金属熔固方法把钛丝或铜丝熔固在极耳及横边框上，再进行一到二层涂层修饰，再取同样经过涂层修饰的钛丝或铜丝对极耳上的钛丝或铜丝进行编织，通过控制编织间距，提高正极活性物质利用率。编织成极板形状后，用塑料或金属封固另外三个边框，即成正负极板板栅，对板栅分别涂上正负极铅膏，经过浸酸、熟化、化成、洗涤、烘干等程序即制成正负极板。

5.活性物质(铅膏)软化和脱落问题：涂膏式平面正极板的活性物质在使用1-3年后即软化脱落，电池失效，而管式正极板的活性物质可以一直使用15年或更久。根据这一原理本发明采用纤维薄膜层(最好是导电纤维)对正极钛丝编织轻型极板进行包裹，然后对活性物质施加一个适当的压力，用以阻止活性物质的膨胀，延缓活性物质中珊瑚状结构的形成和崩溃，抵消正极板的弯曲应力，使涂膏式正极板的活性物质具有等同于管式正极板活性物质的工作环境。实施过程是应用挤紧板的楔形结构原理，采用加压移动挤紧板塞紧极板群与外壳间的间隙达到加压目的。挤紧板采用格栅结构，提高电解液容量。

6.电池组装：把经过包裹的正极板、隔板、负极板组成极板群装入外壳内，在外壳与极板群间挤入挤紧板，给予正极板活性物质一个适当的压力。如果是用低熔点金属如铅、铅合金制成极耳，则与普通铅酸电池的装配方法完全一样。如果采用比重较轻的金属：如钛、铜、铝、镁、及其合金取代铅制成极耳，由于极耳的熔点较高，本发明采用插接式装配方式。就是盖上外壳盖头，使极耳露出在盖头外，放入梳分卡用胶粘剂使极耳与内电池槽密封，再在极耳上加接线桩头，焊锡紧固，再用密封胶封闭即可。

7.提高正极活性物质利用率：当正极板栅筋间距达到0.1×0.2mm范围时，活性物质利用率可提高到92％以上，同时在相等活性物质质量下，极板做得越薄，活性物质利用率越高。为达到上述目的，理论上把钛丝制造得越细越好，但实际上要根据需要，通过实验确定，本发明把范围值定在0.01-5mm。

本发明的有益效果是：

1.大容量：正极板钛丝编织栅筋间的距离可以控制到0.1×0.2mm，可以使活性物质利用率提高到92％，比现有普通铅酸电池的55％的活性物质利用率提高60％以上，钛丝编织轻型极板铅膏(活性物质)金属(板栅连接件之和)重量比可提高到1.5∶1以上，比普通铅酸电池的1∶1以下增加50％以上。纵合以上优势，钛丝编织轻型铅酸电池的重量比容量提高到80WH/kg左右，比普通铅酸电池重量比容量提高将近一倍，接近镍氢电池水平。

2.自放电小：电极表面析氢过电位比铅钙电极高，自放电小。

3.使用范围广：除低温环境外，本发明可应用于目前普通铅酸电池在用的所有场合，特别适用于电动汽车、电动摩托车、电动自行车中作牵引动力电源；还可用作小型的手机电池，手提电脑电池等。

下面给出本发明的实施例，说明具体实施过程。

附图说明：

图1是本发明第一个实施例的结构图。图2是图1的侧视图。

图3是本发明第二个实施例的结构图。图4是图3的侧视图。

图5是本发明正极板结构图。图6是图5的侧视图。图7是图5A部放大图。

图中(1)负极板、(2)正极板、(3)隔板、(4)极板群、(5)电池外壳、(6)连接件、(7)桩头、(8)挤紧板、(9)加液口、(10)梳分卡、(11)盖头、(12)铅膏、(13)钛丝或铝丝栅筋、(14)纤维薄膜、(15)极耳、(16)边框。

实施例一：

图5、图6、图7是正极板(2)的结构图，正极板(2)的制造过程为：把钛丝(13)均匀分布在模具上，以熔融铅或铅合金等低熔点合金浇铸极耳(15)和横边框(16)，把钛丝(13)等距地凝固在极耳(15)和连着的横边框(16)上。再以修饰电极方法把钛丝(13)、横边框(16)、极耳(15)的浸酸部分同时涂上SnO₂+Sb₂O₃或SnO₂+SbO_X+IrO₃或Ti₃SiC₂系导电陶瓷或稀土渗入钛酸盐导电陶瓷涂层，然后再以高聚物修饰电极方法对钛丝(13)、横边框(16)、极耳(15)的浸酸部分涂上一层PAn导电高聚物涂层，再把已同样涂上双层修饰物的钛丝(13)，对极耳(15)上的钛丝(13)进行编织，编织间距掌握在0.1×0.2mm，编织成极板(2)形状后，再在极板(2)的二个垂直边，一个底边上固定塑料边框(16)或金属边框(16)，并进行密封，这就制成了正极板(2)的板栅。再用修饰电极方法对正极板(2)板栅涂上一层较薄的PAn导电高聚物涂层，在涂层未干时，喷涂上β-PbO₂颗粒涂层，使颗粒粒径的一部分进入导电聚合物涂层内凝固其上，另一部分露出在外面，便于与活性物质紧密结合。再对正极板(2)板栅进行填涂铅膏，经过浸酸、熟化、化成、洗涤、烘干等程序后，再用纤维薄膜(14)包复正极板(2)，纤维薄膜(14)的开口处用胶粘剂胶固或用线缝固即制成钛丝编织轻型正极板(2)。

负极板(1)的制造：把铝丝(13)均匀分布在模具上，以熔融铅或铅合金等低熔点合金浇铸极耳(15)和横边框(16)，使铝丝(13)凝固在极耳(15)和连着的横边框(16)上，再以电镀或其它方式对铝丝(13)涂上铅涂层，再以同样涂上铅涂层的铝丝(13)进行编织，编织间距掌握在0.1×0.2mm至6×12mm之间，编织成形后，再在负极板(1)的二个垂直边，一个底边固定上塑料边框(16)或金属边框(16)，这就形成负极板(1)的板栅。在负极板(1)的板栅上填涂铅膏，经过浸酸、熟化、化成、洗涤、烘干等工序后即制成铝丝编织轻型负极板(1)。

电池的组装：如图1、图2示，把负极板(1)、正极板(2)、隔板(3)按顺序组合成极板群(4)，把极板群(4)与连接件(6)用铅熔焊方式连接起来，装入电池外壳(5)，再用挤紧板(8)挤紧极板群(4)，在电池外壳(5)内把各极板群(4)的连接件(6)用铅熔焊连接，再盖上盖头(11)，用铅焊焊接上桩头(7)，即完成组装，加上电解液便可正常工作。

实施例二

用比重较轻的金属取代铅合金制作电池的极耳(15)、横边框(16)、连接件(6)、桩头(7)，来提高电池的比容量。本实施例采用钛或钛合金做极板(2)的极耳(15)、横边框(16)，用铝或铝合金做负极板(1)的极耳(15)，横边框(16)，用铜做桩头(7)。其正极板(2)和负极板(1)的制造过程与实施例一相同。电池装配过程如下：如图3、图4示；把负极板(1)、正极板(2)、隔板(3)按顺序组合成极板群(4)，把极板群(4)装入电池外壳(5)内，用一块较厚的平面挤紧板(8)放入极板群(4)与外壳(5)之间的间隙内，在另一边的间隙内放入二块楔形挤紧板(8)，通过对其中一块楔形挤紧板(8)的加压移动，挤紧极板群(4)与外壳(5)之间的间隙，直至给予极板群(4)一个预定的初始压力。再把盖头(11)热压在电池外壳(5)上，把极板群(4)上的各个极耳(15)分配好，按顺序插入梳分卡(10)的梳孔内，胶固密封，同时把梳分卡(10)胶固密封在电池盖头(11)上，再把桩头(7)卡紧插入露出在梳分卡(10)外的极耳(15)上，用焊锡焊接极耳(15)与桩头(7)的接触点，再用密封胶胶固桩头(7)电池盖头(11)，加上电解液即可工作。

Claims (12)

1.一种电动汽车用高容量金属丝编织轻型板栅铅酸蓄电池，由正负极板、隔板、外壳、连接件、梳分卡、接线桩头、电解液构成，其技术特征在于：正极板板栅采用钛丝编织而成，钛丝电极经过无机导电层，有机导电层多层修饰，负极板板栅用铜丝编织制成，铜丝经过铅涂层修饰，并对正极板活性物质进行包复加压。

2.根据权利1所述的铅酸电池，其技术特征在于：正极板钛丝电极的无机修饰层采用导电陶瓷或导电玻璃或导电氧化物材料。

3.根据权利要求1所述的铅酸电池，其技术特征在于：正极板无机修饰层采用：氧化锡、氧化锑、氧化铱及其混合物，也可采用具有我国自主知识产权的Ti₃SiC₂系导电陶瓷和稀土渗入钛酸盐导电陶瓷，修饰层厚度与材质由电池设计寿命决定。

4.根据权利要求1所述的铅酸电池，其技术特征在于：正极板钛丝电极的有机修饰层采用导电高聚物和导电塑料。

5.根据权利要求1所述的铅酸电池，其特征在于：正极板钛丝电极的有机修饰层采用PAn导电高聚物和PAn导电高聚物掺合其它有机、无机导电物的导电塑料材料，修饰层厚度与材质由电池设计寿命决定。

6.根据权利要求1所述的铅酸电池，其特征在于：负极板栅用铜丝编织而成，负极铜丝的铅涂层厚度为5μM以上。

7.根据权利要求1所述的铅酸电池，其技术特征在于：对正极板板栅涂上一层导电高聚物或导电塑料或导电胶粘剂，在涂层未干时喷涂上β-PbO₂颗粒涂层，使颗粒粒径的一部份进入涂层干固在钛丝上，另一部份露出在外面与涂膏后的铅膏结合。

8.根据权利求1所述的铅酸电池，其技术特征在于：钛丝直径尽量做细，范围值0.01～5mm，垂直钛丝直径大于等于横织钛丝直径，正极板钛丝编织间距0.1×0.2mm至2×4mm。

9.根据权利要求1所述的铅酸电池，其技术特征在于：正极板包复纤维薄膜，纤维薄膜紧包正极板活性物质，开口部位用线缝合或胶粘剂胶合。

10.根据权利要求1所述的铅酸电池，其技术特征在于：用挤紧板通过外壳对极板群施加一个初始压力。

11.根据权利要求1所述的铅酸电池，其技术特征在于：在极板群一边放一块到多块的平面挤紧板，在另一面放一头厚另一头薄的楔形挤紧板二块，厚薄相对安装在极板群与外壳之间，通过加压移动其中的一块楔形挤紧板，给予极板群一个初始压力。

12.根据权利要求1所述的铅酸电池，其技术特征在于：采用极耳串过梳分卡封固在电池槽盖头外，接线桩头与极耳接触点不受电解液腐蚀。

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