CN103367671A - 一种电极板及包含该电极板的电极组件、蓄电池和电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电极板及包含该电极板的电极组件、蓄电池和电容器。本发明的电极板由至少两个正极板或至少两个负极板和夹在所述至少两个正极板或所述至少两个负极板之间的绝缘膜组成。本发明的电极板能够提高电场强度。包含该电极板的蓄电池相对于现有结构的电池充电时间大大缩短。

Description

一种电极板及包含该电极板的电极组件、蓄电池和电容器
技术领域
本发明涉及一种电极板及包含该电极板的电极组件、蓄电池和电容器。
背景技术
随着环保节能意识的深入，新能源电动汽车的发展迅速，市场潜力巨大；太阳能产业的发展，对蓄电池的需求巨大；传统摩托车改电瓶车的趋势明显；使整个蓄电池产业欣欣向荣。
锂离子蓄电池以环保高效引领了蓄电池产业发展的方向，但使用成本高，原材料短缺制约了发展的速度和规模；铅酸电池代表的高污染低效能蓄电池被限制发展，但它以低使用成本占有大部分市场份额；因此，对它们的技术革新都很有实际意义。
常见的锂离子蓄电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄电池等等，它们制造材料不同，成电机理不同，蓄能能量不同，但它们都有一个共同特点：充电时间长，一般要在8小时以上；这成为整个蓄电池行业发展的技术瓶颈；快速充电对整个蓄电池行业非常有意义。
目前，对蓄电池快速充电的研究都从充电器上找出口，成绩是有，以广州天浤电池科技有限公司生产的TH04-48/25A型智能高频脉冲充电机为代表，但它们都属于高耗能充电，说明它们都没解决造成充电困难的根本性问题；从结构上研究的也有，比如，“超级电容器”，是从增加电容方面去研究问题，快充的条件是大电流，工程院院士周国泰研究的“高能镍碳超级电容器”比较有代表性。
发明内容
本发明从电极排列结构出发，提供一种电极板及包含该电极板的电极组件、蓄电池和电容器。本发明的电极板能够提高电场强度。包含该电极板的蓄电池相对于现有结构的电池充电时间大大缩短。
本发明的技术方案如下。
一方面，本发明提供一种电极板，该电极板由至少两个正极板或至少两个负极板和夹在所述至少两个正极板或所述至少两个负极板之间的绝缘膜组成。
优选地，所述至少两个正极板或至少两个负极板中的一个或多个以金属板取代；优选地，所述金属板为铜板、铝板或锌板。
优选地，所述正极板的厚度为1mm-2mm，优选为2mm。
优选地，所述负极板的厚度为0.6mm-1mm，优选为1mm。
另一方面，本发明提供一种电极组件，该电极组件包括：
至少一个第一电极板，该第一电极板由至少两个正极板和夹在所述至少两个正极板之间的绝缘膜组成；
至少一个第二电极板，该第二电极板由至少两个负极板和夹在所述至少两个负极板之间的绝缘膜组成；以及
电极隔板，该电极隔板设置于所述第一电极板和所述第二电极板之间，用于将所述第一电极板与所述第二电极板隔开。常用的电极隔板为吸酸纸或吸碱纸，可以用来吸收电解液。
优选地，上述电极组件中，所述至少两个正极板或至少两个负极板中的一个或多个以金属板取代；优选地，所述金属板为铜板、铝板或锌板。优选地，所述第一电极板与所述第二电极板交替排列。
优选地，所述第一电极板由两个正极板和夹在所述两个正极板之间的绝缘膜组成。所述绝缘膜越薄越好，可以使用纳米级的，也可以使用微米、毫米级的，例如常用的保鲜膜可用作耐酸性绝缘膜。
优选地，所述第二电极板由两个负极板和夹在所述两个负极板之间的绝缘膜组成。两个负极板之间使用的绝缘膜与两个正极板之间使用的绝缘膜相同。
优选地，所述第一电极板为n个，所述第二电极板为n或n+1个，其中n为不为零的整数。第二电极板比第一电极板多一组，并且将第二电极板分布在第一电极板两侧，即放置于外侧，是出于安全性的考虑的。
优选地，所述第一电极板中正极板的厚度为1mm-2mm-mm，优选为2mm。
优选地，所述第二电极板中负极板的厚度为0.6mm-1mm-mm，优选为1mm。
优选地，所述电极隔板的厚度为0.25mm-1mm，优选为0.75mm。
优选地，所述第一电极板与所述第二电极板之间的距离为0.25mm-1mm，优选为0.75mm。该距离为不含极板厚度的距离。
包含上述电极组件的蓄电池。其中，蓄电池包括上述电极组件、电解液和存放所述电极组件和电解液的电池壳体。
又一方面，本发明提供一种电容器，该电容器包括：
至少一个第一电极板，该第一电极板由至少两个正极板和夹在所述至少两个正极板之间的绝缘膜组成；
至少一个第二电极板，该第二电极板由至少两个负极板和夹在所述至少两个负极板之间的绝缘膜组成；以及
电介质，该电介质设置于所述第一电极板和所述第二电极板之间。
实际上，两个平行的金属板，一个做正极，一个做负极，中间夹电介质，就是电容器的基本结构；两个平行的金属板，中间绝缘，组成一个极，两个这样的极平行排列，一个做正极，一个做负极，中间夹电介质，就是本发明的电容器基本结构。
以下将对本发明进行详细描述。
本发明的电极组件为双极同极电极组件，是以“AABB”为基本结构，以“AABBAABB”循环排列为空间结构，该电极组件是利用同电相斥，异电相吸的原理，将正极板与正极板、负极板与负极板绝缘相对紧密排列，在同等电压电流条件下，使得正负极板之间的场强达到倍增效果。
如图1-4所示，图1是单级板电场示意图，极板两面的场强相等；图2是双极板电场示意图，极板相对面的场强为零，另一面的场强倍增；图3是普通正负单级板组合电场示意图，场强分布没有变化；图4是“AABB”结构正负双极板组合电场示意图，场强等于倍加；正负极间电场强度的增强，可以加快电荷的生成，同时增加电荷密度，这也是“超级电容器”依据的基本原理，“AABB”结构是以一对正负极组成一个基本反应单元，外侧加装同极极板组成的。
将本发明的电极组件用并联、串联、并联串联混合连接极板可以制造出各种各类蓄电池或电容器。
在一个具体实施方式中，本发明提供一种包含上述电极组件的高效快充蓄电池，该蓄电池由以下几部分组成：1.正极板；2.负极板；3.隔板纸；4.电解液(或固体电解质)；5.绝缘膜；6.电池箱体；7.汇流排；8.极柱；9.电池盖板；10.密封胶。正极板与正极板叠加，中间用绝缘膜完全分开，负极板与负极板叠加，中间用绝缘膜完全分开，正负极板间加电解液或固体电解质用隔板纸隔开，无论是并联还是串联，正负极的排序是按：正正负负正正负负的循环排列。
本发明的蓄电池与普通蓄电池的共同特性：
铅酸蓄电池的正负极板与本发明铅酸蓄电池使用的正负极板完全一致；碱性蓄电池的正负极板与本发明碱性蓄电池使用的正负极板完全一致；锂离子蓄电池的正负极板与本发明锂离子蓄电池使用的极正负板完全一致；有机溶剂蓄电池的正负极板与本发明有机溶剂蓄电池使用的正负极板完全一致；无机固体蓄电池的正负极板与本发明无机固体蓄电池使用的正负极板完全一致；镍氢蓄电池的正负极板与本发明镍氢蓄电池使用的正负极板完全一致；除绝缘膜外的所有部件材料与原来各个性质的蓄电池使用材料完全一致。
本发明的蓄电池与普通蓄电池的不同特性：
本发明的蓄电池正极板与正极板之间、负极板与负极板之间使用了绝缘膜，在铅酸蓄电池中使用的是耐酸绝缘膜；在碱性蓄电池中使用的是耐碱绝缘膜；在有机溶剂蓄电池中使用的是耐有机溶剂绝缘膜；在无机固体蓄电池中使用的是防无机固体绝缘膜。
结构：正负极板排序由原来的“正负正负循环排列”改变为“正正负负正正负负循环排列”，正极板与正极板之间，负极板与负极板之间用绝缘膜完全分开；由原来的正负极板可共存同一反应单元变为：每一组正负极板为单独的反应单元，由汇流排连接，或并联或串联。
原理：同电相斥，异电相吸；同电极板之间距离越近，排斥力越强，极性越强；极性加强的正负极间的场强最大；最大的场强电离功效最高；这种结构用在各类蓄电池上，就可以达到高效快充的目的；这种结构用在电容器上，就可以达到快充高频的效果。
与超级电容器的相同点：都是通过改变极板结构来提高工作电场强度，达到快充的效果。
与超级电容器的结构区别：
超级电容器是在同一反应单元里插入两个相同的极，两个极的电流强度有明显的强弱区分，以强场强包容弱场强的双层电极形式达到提高场强的目的；本发明是在反应单元外，利用同极相斥产生的极大偏场，在正负极之间产生场强叠加效应，使反应单元内的场强达到最大值。
与超级电容器的关系：与超级电容器结构原理比较，本发明的场强可控性更好，并且可以和超级电容器兼容，使场强效果达到更大值。
中国工程院院士周国泰先生2011年6月成功研制了镍碳超级电容器蓄电池，蓄电能力提高一倍，充电速度可达7秒完成，处于国际领先，国内最好的地位；但他的工作条件是大电流，最高可达2000A；本发明是从结构上实现场强增加的，在2A的低电流下完成快充的目的，与超级电容器原理从结构上有本质区别，同时，本发明的结构原理与超级电容器原理互不排斥，可兼容，就是可同时使用两种技术，从理论效果推论，可将已有超级电容器的成果推向更高峰。
附图说明
图1为单级板电场示意图；
图2为双极板电场示意图(两极间为绝缘膜)；
图3为普通正负单级板组合电场示意图；
图4为“AABB”结构正负双极板组合示意图(两极间为绝缘膜)；
图5为“AB”结构单极对组合的蓄电池；
图6为“AABB”结构单极对组合的蓄电池；
图7为“AB”结构双极对串联的蓄电池；
图8为“AABB”结构双极对串联的蓄电池；
图9为“AB”结构双极对并联的蓄电池；
图10为“AABB”结构双极对并联的蓄电池；
图11为“AB”结构六极对并联的蓄电池；
图12为“AABB”结构六极对并联的蓄电池；
图13为“AB”结构六极对串联的蓄电池；以及
图14为“AABB”结构六极对串联的蓄电池；
其中，图中箭头表示连接充电电极。
具体实施方式
实施例1
1、实验仪器及材料
正极板：厚2mm，得自上海市宝山区永基电源厂；
负极板：厚1mm，得自上海市宝山区永基电源厂；
电极隔板：吸酸纸，厚0.75mm，得自上海市宝山区永基电源厂；
蓄电池：“金动力”牌电动助力车专用电池，型号JDL12V14Ah(5HR)，6-DZMJ-12，得自上海市宝山区永基电源厂；
电解液：硫酸液，得自上海市宝山区永基电源厂；
万用表：优利得电子(上海)有限公司生产的UT30系列掌上型数字万用表；
充电器：上海锦俏电子科技有限公司HW-1型全智能再生电池专用充电机组；
放电器：北京奥丹科技发展有限公司DSC150型放电仪；
绝缘膜：普通食品保鲜膜自己加工；
铜板、铝板：外购，自己加工；
电夹若干，导线若干，外购后自己连接；
大小台钳若干，外购，自己加工安装；
2、实验说明：
正负极板之间的距离为3.75mm(含极板厚)，为了保证距离一致，用台钳夹住调距；时间计量采用四舍五入，精确到分钟，主要考虑到是方向性实验。
3、实验过程及结果
由于铅膏组成的正负极板在无液状态下受压易开裂，为了确保实验的有效性，在本实验过程中，外侧的极板用铜板或铝板。
(1)用充电器将“JDL12V14Ah(5HR)，6-DZMJ-12”铅酸蓄电池一个充满电，使用万用表记录电流电压，然后用放电器放电到安全值以上，12V2A恒流充电，充满电记录电流电压和充电时间，再放电到原来记录值，该实验证明上述蓄电池工作状况良好。
解剖蓄电池，保持极板完整，备用。
(2)单极对对比：
按图5所示组合一组正负极电极板；2V0.3A恒流充电，充满电记录电流电压和时间，然后放电，反复20次；
在图5的正极板外侧加装一块铜板，面积大小与正极板一致，排列整齐，正极板与铜板之间夹有绝缘膜，按同样的要求在负极板外侧加装一块铝板，按图6所示组合一组正负极电极板，对其进行2V0.3A恒流充电，充满电记录电流电压，然后放电，反复20次；
结果：图5结构充电最多8小时17分，最少8小时5分，平均8小时10分；图6结构充电最多37分钟，最少31分钟，平均35分钟。
结论：“AABB”电极单极对结构比“AB”单极对结构充平均电快14.06倍。
(3)双极对串联对比：
按7所示组装一组正负电极板，4V0.3A恒流充电，电充满记录电流电压和时间，然后放电，反复20次；
按图8所示在正极板外侧加装一块铜板，面积大小与正极板一致，排列整齐，正极板与铜板之间夹有绝缘膜，按同样的要求在负极板外侧加装一块铝板，4V0.3A恒流充电，记录电流电压，然后放电，反复20次；
结果：图7结构充电最多8小时38分，最少8小时25分，平均8小时30分；图8结构充电最多37分，最少32分，平均35分；
结论：“AABB”双极对串联结构比“AB”双极对串联结构充电平均快14.65倍。
(4)双极对并联对比：
按9所示组装一组正负电极板；2V0.6A恒流充电，电充满记录电流电压和时间，然后放电，反复20次；
按图10(其中正负极板分别放在两个反应池中)所示正极板外侧各加装一块铜板，面积大小与正极板一致，排列整齐，正极板与铜板之间夹有绝缘膜，按同样的要求在负极板外侧各加装一块铝板，2V0.6A恒流充电，记录电流电压，然后放电，反复20次；
结果：图9结构充电最多8小时17分，最少8小时11分，平均8小时13分；图10结构充电最多36分，最少34分，平均35分；
结论：“AABB”双极对串联结构比“AB”双极对并联结构充电平均快14.15倍。
(5)六极对并联对比：(相当于蓄电池的一组正负极板，7正8负变为6正8负)
按11所示组装一组正负电极板；2V1.8A恒流充电，电充满记录电流电压和时间，然后放电，反复20次；
按图12所示在正极板外侧各加装一块铜板，面积大小与正极板一致，排列整齐，正极板与铜板之间夹有绝缘膜，按同样的要求在负极板外侧各加装一块铝板，2V1.8A伏恒流充电，充满电记录电流电压，然后放电，反复20次；
结果：图11结构充电最多8小时40分，最少8小时30分，平均8小时37分；图12结构充电最多37分，最少34分，平均35分。
结论：“AABB”六极对并联结构比“AB”六极对并联结构充电平均快14.8倍。
(6)六极对串联对比：
按13所示组装一组正负电极板；12V0.3A恒流充电，电充满记录电流电压和时间，然后放电，反复20次；
按图14所示在正极板外侧各加装一块铜板，面积大小与正极板一致，排列整齐，正极板与铜板之间夹有绝缘膜，按同样的要求在负极板外侧各加装一块铝板，12V0.3A恒流充电，记录电流电压，然后放电，反复20次；
结果：图13结构充电最多9小时02分，最少8小时45分，平均8小时52分；图14结构充电最多36分，最少34分，平均35分；
结论：“AABB”六极对并联结构比“AB”六极对并联结构充电平均快15.27倍。
4、实验小结
从上述实验可以看出：“AABBAABB”循环极对结构比“ABAB”传统循环极对结构在蓄电池充电时间方面具有显著的优势；正负两极电场强度的倍增对蓄电池电荷生成影响是显著的，运用“AABB”循环结构可以达到了高效快速充电的目的。
需要说明的是，“AABB”循环结构蓄电池在快速充电的同时，成本增加可忽略不计，并且有明显的高电流特征，从实验的记录看，短路电流远比普通结构蓄电池高；这为我们提高蓄电池储能提供了一个新的途径。

Claims (16)

1.一种电极板，该电极板由至少两个正极板或至少两个负极板和夹在所述至少两个正极板或所述至少两个负极板之间的绝缘膜组成。
2.根据权利要求1所述的电极板，其特征在于，所述至少两个正极板或至少两个负极板中的一个或多个以金属板取代；优选地，所述金属板为铜板、铝板或锌板。
3.根据权利要求1或2所述的电极板，其特征在于，所述正极板的厚度为1mm-2mm，优选为2mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电极板，其特征在于，所述负极板的厚度为0.6mm-1mm，优选为1mm。
5.一种电极组件，该电极组件包括：
至少一个第一电极板，该第一电极板由至少两个正极板和夹在所述至少两个正极板之间的绝缘膜组成；
至少一个第二电极板，该第二电极板由至少两个负极板和夹在所述至少两个负极板之间的绝缘膜组成；以及
电极隔板，该电极隔板设置于所述第一电极板和所述第二电极板之间，用于将所述第一电极板与所述第二电极板隔开。
6.根据权利要求5所述的电极板，其特征在于，所述至少两个正极板或至少两个负极板中的一个或多个以金属板取代；优选地，所述金属板为铜板、铝板或锌板。
7.根据权利要求5或6所述的电极组件，其特征在于，所述第一电极板与所述第二电极板交替排列。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的电极组件，其特征在于，所述第一电极板由两个正极板和夹在所述两个正极板之间的绝缘膜组成。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的电极组件，其特征在于，所述第二电极板由两个负极板和夹在所述两个负极板之间的绝缘膜组成。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的电极组件，其特征在于，所述第一电极板为n个，所述第二电极板为n或n+1个，其中n为不为零的整数。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的电极组件，其特征在于，所述第一电极板中正极板的厚度为1mm-2mm，优选为2mm。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的电极组件，其特征在于，所述第二电极板中负极板的厚度为0.6mm-1mm，优选为1mm。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的电极组件，其特征在于，所述电极隔板的厚度为0.25mm-1mm，优选为0.75mm。
14.根据权利要求5至13中任一项所述的电极组件，其特征在于，所述第一电极板与所述第二电极板之间的距离为0.25mm-1mm，优选为0.75mm。
15.一种蓄电池，该蓄电池包括权利要求5至14中任一项所述的电极组件、电解液和存放所述电极组件和电解液的电池壳体。
16.一种电容器，该电容器包括：
至少一个第一电极板，该第一电极板由至少两个正极板和夹在所述至少两个正极板之间的绝缘膜组成；
至少一个第二电极板，该第二电极板由至少两个负极板和夹在所述至少两个负极板之间的绝缘膜组成；以及
电介质，该电介质设置于所述第一电极板和所述第二电极板之间。
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