CN101849308B - 用于双极性电池的极板和双极性电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及尤其用于双极性电池(10)的极板(20)，极板(20)为以下的类型：其包含基质石墨材料(2)、正极活性材料(3)和负极活性材料(5)，该正极活性材料(3)施加至基质材料(2)的第一表面(4)，该负极活性材料(5)施加至第一表面(4)对面的基质材料(2)的第二表面(6)，正极活性材料(3)具有包括以下组分的组合物：二氧化铅、导电性碳纤维和玻璃微球，且负极活性材料(5)具有包括以下组分的组合物：海绵状铅、石墨添加剂和玻璃微球。进一步描述了由许多极板(20)形成的双极性电池(10)，各极板(20)包含石墨基质材料(2)、正极活性材料(3)和负极活性材料(5)，该正极活性材料(3)施加至基质材料(2)的第一表面(4)，该负极活性材料(5)施加至第一表面(4)对面的基质材料(2)的第二表面(6)，所述许多极板(20)的正极活性材料(3)具有包括以下组分的组合物：二氧化铅、导电性碳纤维和玻璃微球，且许多极板(20)的负极活性材料(5)具有包括以下组分的组合物：海绵状铅、石墨添加剂和玻璃微球。

Description

用于双极性电池的极板和双极性电池
本发明涉及尤其用在双极性电池上的极板，这些极板包含复合材料的基质材料，其包含石墨芯，并接受正极活性材料和负极活性材料的许多层，该层包含能够扩大反应表面积的添加剂。本发明还涉及双极性电池，该双极性电池由许多这些极板形成，且相对于先有技术已知的类似电池，其提供了更大的输出。
先有技术的描述
在双极性电池中，分配极板平行排列并彼此相邻，形成呈″三明治″型结构堆叠的电池，以便同一个极板具有与紧靠前面的极板的正极面相互作用的负极面，及其相对的正极面，该正极面与紧靠后面的极板的负极面相互作用。这些极板也称为双电极，因为电极的一侧或面用作电池中的阳极，且该同一个电极的对侧或面用作下一个电池的阴极。阳极面和阴极面由电子导体隔开。
铅-酸电池，人们理解为可以是双极或不是双极的电池，其包含含有活性材料的阳极和阴极，该活性材料衍生自铅，并排列于由硫酸溶液组成的电解质中。正极板或阳极包含氧化铅(PbO)作为活性物质，当充电时，它将氧化铅转化成二氧化铅(PbO2)。通常，该活性物质固定在由铅合金制备的金属网格上。负极板或阴极包含作为活性物质的氧化铅(PbO)和使氧化铅转化成海绵状铅(Pb)的发泡剂。该活性物质也固定在合金铅的金属网格上。
铅-酸电池的极板由用作间隔器的多孔材料分开，由低欧姆电阻、微孔和当填充酸时良好离子电导性的电子绝缘材料制备。该间隔器的目的是使元件的内阻和极板之间的距离减小到最小，因为将它们置于极板(阳极和阴极)之间，除了不允许短路之外防止直接接触，且同时保持极板之间的最小空间。极板浸入其中的电解溶液由用蒸馏水或软化水稀释的硫酸溶液组成。
双极铅-酸电池从先有技术中已知，且人们已对组成它们的极板或电极进行了许多研究，目的要以更经济的方式、更少使用铅、更轻地获得它们，同时给电池提供更大的能量密度和更长的寿命。
文件PI 8305957和文件PI 8305961显示了上述物质的实例。这些文件公开了包含正极板和负极板的铅-酸型电池，该正极板和负极板排列于堆叠结构(stacks)中、通过间隔材料交替并插入。组成该电池的电极元件由间隔的网格形成，该网格连续并由铅或铅合金制备，接受正极或负极活性材料。这些电极由互相重叠的厚铅板组成，以便形成层状结构。在该情况下，极板还由纯铅制备，即使它们由多个铅叶片形成，这并不减少极板的重量和电池的制备成本。
为了改进极板或电极的组合物，文件US 5,532,083描述了由包含多向碳纤维的聚合物材料制备的电池电极。该类型的电极构造的目的是获得更大的柔韧性。
文件US 5,643,696涉及用于铅-酸型双极性电池的、具有较轻的芯的电池极板。在该情况下，极板芯优选由铝制备，虽然也可使用：钛、钢、钢合金、镁或锌。然后如在该类型的其它电池中一样，用负极活性材料和正极活性材料涂布芯。在该情况下，目的是通过由较轻的材料制备芯来减少极板的重量，然而，观察到施加至极板的活性材料的低输出。
文件US 2004/0072074也描述了用于铅-酸型电池的电极，在无孔的聚合物基质中制备这些电极，且用正极活性材料和负极活性材料涂布该基质的一些表面。在该情况下，目的是获得非常薄的电极，且不发生氧化。
在文件US 4,275,130中描述了双极性电池的构造。将极板平行排列并压紧，以便形成堆叠结构，该发明的目的是获得薄而较轻的抗性材料极板，适用于必需的导电性和抗腐蚀性。对于该目的，描述了含树脂作为主要基体的极板的组合物，在该基体上优选以50％重量的比例添加导电性石墨纤维。将正极(PbO2)活性材料和负极(Pb)活性材料施加至该基体上。
进一步继续开发较轻和抗性极板或电极，文件US 7,105,252公开了在施加活性材料之前用碳膜薄层覆盖的电极。碳膜的功能是减少腐蚀。在另一方面，前述文件的同一申请人的文件WO 2005/096418和WO 2006/105188，涉及包含电极的双极性电池，该电极由聚合物材料的基体形成，该聚合物材料含有可以是碳纤维的导电性颗粒。
文件EP 1.506.585涉及双极性电池极板，该极板基于热塑性材料，通过碳纤维强化而制备。为了获得较轻和抗性极板的同样目的，这些极板的基质由石墨和热塑性物质制备。
虽然在组成铅-酸型双极性电池的极板或电极的构造中，上述先有技术文件代表了发展，其中一些是显著的，但是在这些文件中所述的所有极板均用于高放电电流，这就是说，短的有效期，很高的功率，且在开始时具有放电峰。这些特征限制了这些电池的性能，和人们需要非常低的放电电流，即低功率的时间。
发明目的
本发明的目的是提供用于双极性电池的极板或电极，这些极板或电极包含正极和负极活性材料，并加入添加剂以增加导电性，且因此增加反应表面积，也增加这些活性材料的反应输出。
本发明的目的也提供由极板或电极形成的双极性电池，其消除了传统的铅网格，具有正极和负极活性材料，并且加入添加剂，与能量密度大约为38Wh/kg的传统电池相比，提供更大的能量容量和密度，在长时间放电中大约为60Wh/kg，这是在太阳能/光电系统中应用的必要特征。
发明简述
本发明的目的是尤其用于双极性电池10的极板20，该极板20为以下的类型：包含基质材料2、正极活性材料3和负极材料5，所述正极活性材料3施加至基质材料2的第一表面4，所述负极材料5施加至第一表面4对面的基质材料2的第二表面6，基质材料2在其组合物中包含石墨，且用铅或铅合金涂布，正极活性材料3在其组合物中包含二氧化铅、碳纤维和玻璃微球，所述正极活性材料3的厚度为3-15mm，且负极活性材料5在其组合物中包含海绵状铅、石墨添加剂和玻璃微球，所述负极活性材料5的厚度为3-15mm。
本发明的还一个目的是由许多极板20形成的双极性电池10，各极板20包含基质材料2、正极活性材料3和负极活性材料5，所述正极活性材料3施加至基质材料2的第一表面4，所述负极活性材料5施加至第一表面4对面的基质材料2的第二表面6，双极性电池10的极板20的基质材料在其组成中包含石墨，且用铅或铅合金涂布，正极活性材料3包含二氧化铅、碳纤维和玻璃微球，所述正极活性材料3的厚度为3-15mm，且负极活性材料5在其组合物中包含海绵状铅、石墨添加剂和玻璃微球，所述负极活性材料5的厚度为3-15mm。
附图简述
现在，将参考附图中表示的实施方案更详细地描述本发明。附图显示：
-图1为本发明的目标双极性电池10的侧视图；
-图2为本发明的目标双极性电池10的极板20或电极的横切面详图。
附图详述
按照优选的实施方案，且从图2可见，本发明的目标极板20尤其用在双极性电池10上，如图1所示。为了该目的，极板20包含基质材料2，该基质材料2构成由石墨填充剂和添加剂形成的基质-组合物组合物。石墨填充剂由大小为5-7μm的细圆颗粒和大小为70-80μm的粗圆颗粒形成。细圆颗粒以相当于所有石墨填充剂的30％的量存在，其余的由粗圆石墨颗粒形成。指出应始终按尺寸保持1∶10-1∶15的比率很重要。除石墨和添加剂之外，基质材料2还接受量在0.3-11％重量变化的碳纳米管。该碳纳米管的加入确保令人惊讶地使机械强度和导电性增加并使其均匀。该基质材料是2006年11月6日提交的专利文件PI0604768-8(BRP 10604768)的目标，且其所有特征均通过引用结合到本文中。
基质材料2的组合物确保获得轻重量极板20，该极板20由导电材料制备并相当抗腐蚀，这是个重要的因素，因为极板20被浸入酸性电解溶液中。
该基质材料2接受可通过并置法(juxtaposition)、注入法或沉积法制备的铅或铅合金涂层15。当通过并置或注入，实施用铅或铅合金涂布基质材料2的方法时，铅或铅合金层应为至少50微米厚，至多500微米厚。当通过沉积，实施用铅或铅合金涂布基质材料2的方法时，在负极面上铅或铅合金层应为至少40微米厚，在正极面上至多300微米厚。
将正极活性材料3施加至极板20的基质材料2上的第一表面4上，该正极活性材料3包含二氧化铅(PbO2)、导电性碳纤维和玻璃微球的组合物。此外，将负极活性材料5施加至极板20的基质材料2上的第二表面6上，该负极活性材料5包含海绵状铅(Pb)、石墨添加剂和玻璃微球的组合物。在同一个极板20中，第二表面6与第一表面4相反。
正极活性材料3和负极活性材料5具有3-15mm的厚度。
玻璃微球表示加入至正极活性材料3的组合物和负极活性材料5的组合物的添加剂，具有保持正极3的这些材料和负极5材料的组合物中的孔开放的功能。因此，与其它添加剂联合，导电性增加，并因此增加了这些活性材料在电解溶液中的反应，这使由极板20形成的双极性电池的输出增加40％(如文献所述)-60％。
双极性电池10(其也是本发明的目的)通过许多极板20形成，极板20具有以前定义的特征，并平行放置，彼此相邻，通过通常的间隔膜分开。
极板20包含以前描述的特征，且如已经讨论的那样，因为增加正极3和负极5活性材料的导电性和反应表面，引起双极性电池的输出增加40％(如文献所述)-60％。
将这些极板20浸入由d＝1250-1310g/cm3的稀硫酸形成的电解质中。
应指出，从先有技术已知的双极性电池通常是高放电电流电池，这就是说，短的有效期，很高的功率，称为起始。在已知的双极性电池的情况中，它们在功率和电流的峰值时工作。
本发明的目的双极性电池10包含对于其在光电系统中的用途来讲合适的构造，这是指其最佳性能伴随非常低的放电电流。按该方式，获得了低的和恒定的功率，没有起始峰，表征为常备电池。在双极性电池10中，极板20平行排列，彼此相邻且压紧，以便按″三明治″型的构造形成堆叠结构，从而使同一个极板具有与紧靠前面的极板的正极面相互作用的负极面，及其相对的正极面，该正极面与紧靠后面的极板的负极面相互作用。
双极性电池10也包含纤维垫7，称为AGM(吸收性玻璃垫)，其功能是提供正极3和负极5活性材料之间的绝缘，以及贮存电解质的稀硫酸，和将来自正极板的氧气传送至负极板。为了将极板20绝缘，并密封在极板和在正极3和负极5活性材料内部产生的氧气和氢气的混合物的出口，O-环形密封接头(未显示)也接近于极板20的第二表面6放置。
将两个塑料板1A和1B加入至极板20，将板1A固定至第一表面4，将板1B固定至极板20的第二表面6。板1A在上表面具有两个孔，一个用于减压阀13，另一个14有利于填充电解质的过程，其在活化过程之后将关闭。
也将铅或铅合金涂层加入至基质材料2的第一表面4和第二表面6上。
如图1所示，双极性电池10具有由电池10的正极和负极组成的电末端11和12，和由电池10的内部-压力装置组成的减压阀13。电池10优选包含用于各极板20的减压阀13，因此保证更大的安全性。

Claims (11)

1.一种用于双极性电池(10)的极板(20)，所述极板(20)为以下的类型：其包含基质材料(2)、正极活性材料(3)和负极材料(5)，所述正极活性材料(3)施加至所述基质材料(2)的第一表面(4)，所述负极材料(5)施加至第一表面(4)对面的基质材料(2)的第二表面(6)，所述极板(20)的特征在于以下事实：
-所述基质材料(2)在其组成中包含石墨，所述基质材料用铅或铅合金涂布；
-所述正极活性材料(3)在其组合物中包含二氧化铅、碳纤维和玻璃微球，所述正极活性材料(3)的厚度为3-15mm；
-所述负极活性材料(5)在其组合物中包含海绵状铅、石墨添加剂和玻璃微球，所述负极活性材料(5)的厚度为3-15mm。
2.权利要求1的极板(20)，其特征在于所述铅或铅合金涂层通过并置法或注入法施加。
3.权利要求2的极板(20)，其特征在于以下事实：所述铅或铅合金涂层的最小厚度为50微米，且最大厚度为500微米。
4.权利要求1的极板(20)，其特征在于以下事实：所述铅或铅合金涂层通过沉积法施加。
5.权利要求4的极板(20)，其特征在于以下事实：在负极面所述铅或铅合金涂层的最小厚度为40微米，且在正极面最大厚度为300微米。
6.一种双极性电池(10)，所述双极性电池(10)由许多极板(20)形成，各极板(20)包含基质材料(2)、正极活性材料(3)和负极活性材料(5)，所述正极活性材料(3)施加至所述基质材料(2)的第一表面(4)，所述负极活性材料(5)施加至第一表面(4)对面的基质材料(2)的第二表面(6)，所述双极性电池(10)的特征在于以下事实：
-所述极板(20)的基质材料在其组成中包含石墨，所述基质材料用铅或铅合金涂布；
-所述正极活性材料(3)在其组合物中包含二氧化铅、碳纤维和玻璃微球，所述正极活性材料(3)的厚度为3-15mm；
-所述负极活性材料(5)在其组合物中包含海绵状铅、石墨添加剂和玻璃微球，所述负极活性材料(5)的厚度为3-15mm。
7.权利要求6的双极性电池，其特征在于以下事实：所述铅或铅合金涂布通过并置法或注入法进行。
8.权利要求7的双极性电池，其特征在于以下事实：所述铅或铅合金涂层的最小厚度为500微米，且最大厚度为50微米。
9.权利要求6的双极性电池，其特征在于以下事实：所述铅或铅合金涂布通过沉积法进行。
10.权利要求9的双极性电池，其特征在于以下事实：在负极面所述铅或铅合金涂层的最小厚度为40微米，且在正极面最大厚度为300微米。
11.权利要求6-10中任一项的双极性电池，其特征在于以下事实：所述极板(20)平行排列，并彼此相邻且压紧，以便形成堆叠结构。
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