CN101719565B - 一种三维双极型高功率铅蓄电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维双极型高功率铅蓄电池，包括蓄电池槽，所述蓄电池槽内设有N片三维双极型极板、一片单板三维正极板、一片单板三维负极板、胶体电解质，所述N＝U_标称电压/2-1，所有三维双极型极板的一侧是单板三维正极板，另一侧是单板三维负极板，所述单板三维正极板上连有正极引出端子，单板三维负极板上连有负极引出端子。本发明大大降低了铅耗用量，提高了比容量，降低了蓄电池内阻，提高了比功率，导热性、导电性极好，抑制电池的温升，延长了寿命，利用率大大提高，大大降低了铅消耗，同时提高了性能，降低了成本。

Description

一种三维双极型高功率铅蓄电池

【技术领域】

本发明涉及蓄电池，特别涉及一种三维双极型高功率铅蓄电池。

【背景技术】

电动自行车是电动车的起点，电源仍是首要问题，每辆电动自行车用1组360wh的铅蓄电池，重约为12.5kg，行程大约50公里。轻型电动摩托是电动自行车的必然后继产品，它的动力功率约为电动自行车的2～5倍，而一台时速60Km/h，运行里程在100km以上的微型电动汽车则需要的常规铅酸蓄电池约为9000wh，重量约为250kg，这一重量相当于搭载4个人的总量，也就是说这样的电动车几乎成为人和电池的运输车。普通铅酸蓄电池在纯电动车上使用仅仅适用于微型、低速、短距离行驶的代步车和定距离物流车。

混合动力汽车要求具备高功率充电和高功率放电功能，要求正常工作充、放电倍率达到5C～20C，甚至更高的倍率，并且还必须具备优良的高、低温性能以及长寿命等特性。混合动力电动汽车则很难有普通铅酸蓄电池使用的机会。

大多数人都把希望寄托在镍氢电池和锂离子电池上，但是，由于锂离子电池价格是铅酸蓄电池的4～6倍，并且技术不太成熟，并且配套体系没有良好建立，还有较长的路要走。因此，开发一种高功率、重量轻、长寿命的铅酸蓄电池是目前纯电动汽车、混合动力电动汽车的重要技术路线。

专利200610171301.6公开了电动汽车用长寿面高容量双极型极板铅酸电池，由双极型极板、上端极板、下端极板、隔板组成极群，极群安装在电池框架内，电池框架紧压极板群，给于活性物质一个适当的压力，双极型极板基板采用耐酸金属如钛、不锈钢、铅及钛合金、铅合金等，经压铸成形，基片正极一面设有导电针，负极一面设有导电柱，表面修饰有机导电层，并且喷涂β-PbO₂，使β-PbO₂进入有机导电层，固化后填涂铅膏制作成双极型极板。该发明电池比容量45～50wh/kg比常规电池提高了20～30％，设计寿命3～8年。该发明采用产品性能有了很大提高，但是，其基片采用钛、钛合金等贵稀有贵重金属，成本仍然比较高，并且这些金属制成的双极型极板，铅膏与基板结合不牢固，容易在使用过程中造成活性物质脱落等故障，同时所用极板用金属制作在稀硫酸以及电化学条件下金属腐蚀仍然很快，很难达到设计的性能要求，并且，这种极板厚度受到基板厚度的限制，单片双极型极板容量受到局限。

Firefly Energy公司正在开发的突破性专利技术-铅炭超级电池，该技术的要点在于传统铅酸电池内的铅板栅用新型炭材料(多孔结构的泡沫炭)替代，将活性铅膏复合在其孔中。每个炭板栅由两个泡沫炭片和中间的粘接结构组成，形成夹层以提高泡沫炭片的强度。泡沫炭片是无定型炭结构或石墨结构(有序/层状结构)，具有大量球形泡沫。

氧化铅浆料浸渍在这种新的板栅材料中，然后将此复合材料按原有方法制备成海绵铅和二氧化铅。于是，产生了一种独特的新型电极结构，不仅浆料灌入泡沫孔内，而且电解液也分配到不同于传统电池单独贮层的泡沫孔隙内，进而形成全新的三维电极结构。

由于每个三维电极都具有海绵铅或二氧化铅和硫酸电解质的全部组分，该技术使得对铅-酸化学性能的利用水平得以加强。在传统铅酸电池内，流体扩散是在毫米级距离的范围内的单一方向上发生的。而在泡沫炭三维电极结构中，流体扩散是在微米级距离的范围内的所有方向上发生。与传统铅酸电池相比，该结构导致更高的比能量、比功率和更快的充、放电速度，循环寿命也产生一个飞跃，使铅酸电池的性能与先进材料(锂和镍)电池相当，但是能够以传统铅酸电池相近的成本制造，仅为先进材料电池成本的五分之一。

Firefly现在正在开发两种先进技术：第一种技术，采用三维电极技术作为负极板栅，保留传统的铅酸电池正极片；第二种更新的技术，采用石墨复合材料作为电池的正极板栅和负极板栅。其余结构均沿用传统铅酸蓄电池结构，但是，这些技术中的板栅都是在粘接材料和泡沫炭层之间的界面处引出一个极耳，导电面积很小，蓄电池内阻大，电池的比容量很低，仍然避免不了传统结构固有的弱点。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种能够增大导电面积、减小蓄电池内阻、提高比容量，且成本大大降低的三维双极型高功率铅蓄电池。

为实现上述目的，本发明提出了一种三维双极型高功率铅蓄电池，包括蓄电池槽，所述蓄电池槽内设有N片三维双极型极板、一片单板三维正极板、一片单板三维负极板、胶体电解质，所述N＝U_标称电压/2-1，所有三维双极型极板的一侧是单板三维正极板，另一侧是单板三维负极板，所述单板三维正极板上连有正极引出端子，单板三维负极板上连有负极引出端子。

作为优选，所述正极引出端子与蓄电池槽之间设有正极密封胶，负极引出端子与蓄电池槽之间设有负极密封胶，所述三维双极型极板、单板三维正极板和单板三维负极板的端部与蓄电池槽之间均设有边密封胶。

作为优选，所述三维双极型极板包括双泡沫石墨基片、正极活性物质、负极活性物质，所述双泡沫石墨基片包括第一致密石墨层，所述第一致密石墨层的两面分别设有多孔泡沫石墨层，其中，一个多孔泡沫石墨层内充填有正极活性物质形成正极三维电极层，另一个多孔泡沫石墨层内充填有负极活性物质形成负极三维电极层。

作为优选，所述双泡沫石墨基片的两端还设有边框。

作为优选，所述第一致密石墨层的厚度为0.2～2mm。

作为优选，所述正极三维电极层与负极三维电极层厚度之比为1∶0.6～0.95。

作为优选，所述双泡沫石墨基片上电镀有铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm。

作为优选，所述单板三维正极板包括单泡沫石墨基片、正极活性物质，所述单泡沫石墨基片包括第二致密石墨层和设在第二致密石墨层一面的多孔泡沫石墨层，所述多孔泡沫石墨层内充填有正极活性物质形成单板三维正电极。

作为优选，所述第二致密石墨层上电镀有铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm，第二致密石墨层的厚度为2～10mm。

作为优选，所述单板三维负极板包括单泡沫石墨基片、负极活性物质，所述单泡沫石墨基片包括第三致密石墨层和设在第三致密石墨层一面的多孔泡沫石墨层，所述多孔泡沫石墨层内充填有负极活性物质形成单板三维负电极；所述第三致密石墨层上电镀有铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm，第二致密石墨层的厚度为2～10mm。

本发明的有益效果：

1.由于采用泡沫石墨作为基片，由无定型石墨结构(有序/层状结构)，具有大量球形泡沫，具有重量轻、电阻小、活性物质为三维结构，与导电界面面积增加约2000倍，利用率由30～40％提高到80～90％，大大降低了铅耗用量，提高了比容量，比容量可以达到70Wh/kg。

2.采用双极型结构，极板板面面积即为单体之间的导电截面积，单体之间实现最理想的导电距离(直通)，无需通过汇流传导，大大降低了蓄电池内阻。

3.泡沫石墨基片实际还可以与正极板形成超级电容器，实际相当于在蓄电池每个单格并联了一只超级电容器，大大提高了比功率，比功率可达1000W/kg以上。

4.泡沫石墨基片电镀铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm，与活性物质能起到桥梁作用，提高与活性物质的结合力。同时泡沫石墨基片导热性、导电性极好，抑制电池的温升，延长了寿命，是蓄电池寿命达到原来的两倍以上。

5.由于采用泡沫石墨制作基片，取消了板栅，取消了隔板，并且采用三维双极型极板结构，利用率大大提高，大大降低了铅消耗，同时提高了性能，降低了成本。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明三维双极型高功率铅蓄电池的剖视结构示意图；

图2是本发明三维双极型高功率铅蓄电池中三维双极型极板的剖视结构示意图；

图3是本发明三维双极型高功率铅蓄电池中单板三维正极板的剖视结构示意图；

图4是本发明三维双极型高功率铅蓄电池中单板三维负极板的剖视结构示意图。

【具体实施方式】

参阅图1，三维双极型高功率铅蓄电池，包括蓄电池槽5，所述蓄电池槽5内设有N片三维双极型极板2、一片单板三维正极板1、一片单板三维负极板4、胶体电解质9，所述N＝U_标称电压/2-1，所有三维双极型极板2的一侧是单板三维正极板1，另一侧是单板三维负极板4，所述单板三维正极板1上连有正极引出端子10，单板三维负极板4上连有负极引出端子7。其中，U_标称电压是指蓄电池的标称电压。所述正极引出端子10与蓄电池槽5之间设有正极密封胶11，负极引出端子7与蓄电池槽5之间设有负极密封胶6，所述三维双极型极板2、单板三维正极板1和单板三维负极板4的端部与蓄电池槽5之间均设有边密封胶8，提高了密封性能。蓄电池槽5还设有安全阀3，提高了安全性能。

参阅图2，三维双极型极板2：由双泡沫石墨基片、正极活性物质、负极活性物质组成，所述双泡沫石墨基片包括第一致密石墨层14，所述第一致密石墨层14的两面分别设有多孔泡沫石墨层，其中，一个多孔泡沫石墨层内充填有正极活性物质形成正极三维电极层13，另一个多孔泡沫石墨层内充填有负极活性物质形成负极三维电极层15。双泡沫石墨基片为无定型石墨结构(有序/层状结构)，具有大量球形泡沫。中心层为第一致密石墨层14，厚度约为0.2～2mm，这一层石墨为无孔致密的石墨层，第一致密石墨层14两面均为多孔泡沫石墨层，其中一面较厚，一面较薄，厚度之比大约为1∶0.6～0.95，双泡沫石墨基片的面积和厚度根据极板容量大小来设计，双泡沫石墨基片电镀铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm，正极活性物质配料充填到厚度较大的一面多孔石墨层孔中，正极活性物质配料充填到厚度较小的一面多孔石墨层孔中，经过固化、化成等过程，使正极一面多孔泡沫石墨层内的物质转变成为PbO₂正极活性物质，负极一面多孔泡沫石墨层内的物质转变成为海绵状Pb负极极活性物质，即制作成为三维双极型极板2。双泡沫石墨基片的两端还设有边框12。

参阅图3，单板三维正极板1：包括单泡沫石墨基片、正极活性物质，所述单泡沫石墨基片包括第二致密石墨层16和设在第二致密石墨层16一面的多孔泡沫石墨层，所述多孔泡沫石墨层内充填有正极活性物质形成单板三维正电极17。单泡沫石墨基片由石墨经过成孔发泡技术制作，一面为第二致密石墨层16，厚度约为2～10mm，这一层石墨为无孔致密的石墨层，正极引出端子10使用带螺孔的铜接线端子，与第二致密石墨层16表面连为一体，另一层由无定型石墨结构(有序/层状结构)，具有大量球形泡沫，厚度与三维双极型极板2的正极三维电极层13相同，单泡沫石墨基片电镀铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm，正极活性物质配料充填到泡沫石墨层孔中，经过固化、化成等过程，使正极多孔泡沫石墨层内的物质转变成为PbO₂正极活性物质，即制作成为单板三维正极板1。

参阅图4，单板三维负极板4：包括单泡沫石墨基片、负极活性物质，所述单泡沫石墨基片包括第三致密石墨层18和设在第三致密石墨层18一面的多孔泡沫石墨层，所述多孔泡沫石墨层内充填有负极活性物质形成单板三维负电极19。单泡沫石墨基片由石墨经过成孔发泡技术制作，一面为第三致密石墨层18，厚度约为2～10mm，这一层石墨为无孔致密的石墨层，负极引出端子7使用带螺孔的铜接线端子，与第三致密石墨层18表面连为一体，另一层由无定型石墨结构(有序/层状结构)，具有大量球形泡沫，厚度与三维双极型极板2的负极三维电极层15相同，单泡沫石墨基片电镀铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm，负极活性物质配料充填到泡沫石墨层孔中，经过固化、化成等过程，使负极多孔泡沫石墨层内的物质转变成为PbO₂负极活性物质，即制作成为单板三维负极板4。

本实施例中的胶体电解质9：调节胶体电解质9中的SiO₂含量使电解质成为网络结构，并且可以调节其孔径和孔率，无需隔板隔离。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (1)

1.一种三维双极型高功率铅蓄电池，包括蓄电池槽，其特征在于：所述蓄电池槽内设有N片三维双极型极板、一片单板三维正极板、一片单板三维负极板、胶体电解质，所述N＝U_标称电压/2-1，所有三维双极型极板的一侧是单板三维正极板，另一侧是单板三维负极板，所述单板三维正极板上连有正极引出端子，单板三维负极板上连有负极引出端子，所述正极引出端子与蓄电池槽之间设有正极密封胶，负极引出端子与蓄电池槽之间设有负极密封胶，所述三维双极型极板、单板三维正极板和单板三维负极板的端部与蓄电池槽之间均设有边密封胶，所述三维双极型极板包括双泡沫石墨基片、正极活性物质、负极活性物质，所述双泡沫石墨基片包括第一致密石墨层，所述第一致密石墨层的两面分别设有多孔泡沫石墨层，其中，一个多孔泡沫石墨层内充填有正极活性物质形成正极三维电极层，另一个多孔泡沫石墨层内充填有负极活性物质形成负极三维电极层，所述双泡沫石墨基片的两端还设有边框，所述第一致密石墨层的厚度为0.2～2mm，所述正极三维电极层与负极三维电极层厚度之比为1∶0.6～0.95，所述双泡沫石墨基片上电镀有铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm，所述单板三维正极板包括单泡沫石墨基片、正极活性物质，所述单泡沫石墨基片包括第二致密石墨层和设在第二致密石墨层一面的多孔泡沫石墨层，所述多孔泡沫石墨层内充填有正极活性物质形成单板三维正电极，所述第二致密石墨层上电镀有铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm，第二致密石墨层的厚度为2～10mm，所述单板三维负极板包括单泡沫石墨基片、负极活性物质，所述单泡沫石墨基片包括第三致密石墨层和设在第三致密石墨层一面的多孔泡沫石墨层，所述多孔泡沫石墨层内充填有负极活性物质形成单板三维负电极；所述第三致密石墨层上电镀有铅锡合金，镀层厚度为0.01～0.5mm，第二致密石墨层的厚度为2～10mm。

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