CN103515579A - 一种铅蓄电池负极板 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种铅蓄电池负极板，包括集流体和电活性物质，可用于叠层式或卷绕式铅蓄电池。该电极板具有优良的脉冲响应性能，能提高铅蓄电池的功率密度和循环使用寿命，应用于电动车、电动工具、脉冲发射等领域的铅蓄电池。

Description

一种铅蓄电池负极板
技术领域
本发明涉及一种铅蓄电池负极板，属于化学工程领域。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蓄电池。
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。铅蓄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，但目前其比功率低、循环寿命短的缺点制约了其在电动车上的应用。超级电容器(Supercapacitors)是性能介于传统电容器和电池之间的一种新型储能装置，其比能量是传统电容器的20～200倍，比功率一般大于1000W/kg，高于一般二次电池，循环寿命(＞105次)也优于电池，还具有能瞬间大电流充放电、工作温度范围宽、安全、无污染等优点，因而具有在电动汽车上的潜在应用前景。但是，迄今为止，电化学电容器的比能量还是低于二次电池，制约了其在电动车上的应用。
铅蓄电池的比功率较低以及大功率放电下寿命差，主要是受限于负极：在高密度电流放电情况下，负极产生大量铅离子进入电解液，与之相对的情况是电解液中硫酸根离子扩散受限，致使铅离子过饱和，容易在负极表面形成一层致密的硫酸铅沉淀层，造成负极表面钝化。硫酸铅导电性差，溶解度小，会降低负极内部铅的反应活性，增加反应过电位，致使充电时析氢较为严重，充电效率下降，并形成恶性循环。若继续大功率充放电，以上情况会进一步恶化，硫酸铅沉淀颗粒增大且过程不可逆，最终负极丧失反应活性，电池失效(参见J.PowerSources 133(2004)126)。若能通过外电路的控制，避免铅蓄电池大功率充放电，能有效提高其寿命。中国专利200620097371.7公开了一种电池，其在传统的电池外并联了一个耐高功率充放电的电容器，通过一个外壳将电池和电容固定，构成一种电池-电容组合。该类电池-电容组合虽然将铅蓄电池和超级电容器进行了结合，但属于外组合式，两个电源均需要各自的电解液、隔膜等，不但器件总体积较大，还需要外电路和相应的管理系统进行实时测试、控制，成本较高。
若将超级电容器与铅蓄电池的“外并”改成“内并”，则能省去复杂的外电路与控制系统，有效的降低成本。中国专利200810136333.1公开了一种铅蓄电池，其部分负级铅板为碳板所代替，可以提高铅蓄电池比功率，延长电池寿命。中国专利200910002836.4公开了将超级电容器活性炭电极和铅负极“内并”的电池，近期也有人称之为“超级电池”(Ultrabattery，参见J.Power Source174(2007)16)。该电池将超级电容器的高比功率、长寿命的优势融合到铅蓄电池中，在保持提高功率、延长电池寿命优点的同时，又能简化电路、提高比容量，并降低总费用(参见《科学时报》2009年8月14日的《科学时评》专栏)。但是，由于减少了负极片，这种电池的比能量将有所下降。
将超级活性炭直接加入到铅蓄电池负极板中，也能很好的起到提升电池脉冲功率的作用。如中国专利200810136333.1，中国专利200880009193.X和中国专利200910098917.9均公开了活性炭直接加入铅蓄电池电极板，能有效提高器件性能。但是这些专利并没有提及何种活性炭适合铅蓄电池使用。
我们研究表明，只有活性炭比表面积在1500～3000m2/g，孔容0.5～2.0cm3/g，才能更有效的起到促进铅蓄电池性能的功效。
发明内容
本发明的目的是提供一种铅蓄电池负极板，能提高铅蓄电池的功率密度和循环使用寿命。
本发明的技术方案如下：铅蓄电池的负极板包括集流体和电活性物质，集流体用铅、铜、钛、钽、钨、铝、炭泡沫或硬质塑料制成，集流体表面镀铅，电活性物质为活性炭、铅粉、炭黑、碳纳米管、炭纤维、炭气凝胶、模板炭、介孔炭、碳化物衍生炭、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚烷基噻吩、聚对氟苯基噻吩、抑制析氢添加剂中一种以上物质；其中电活性物质中的活性炭比表面积1500～3000m2/g，孔容0.5～2.0cm3/g。
本发明提供的负极板内添加剂为含铅、钛、锌、钡、锑、镉、银、汞或铋的氧化物、氢氧化物、硫酸盐或其混合物，集流体为网格状结构，网格孔隙大小为0.1～10cm2。
本发明提供的负极板优点在于：该电极板使得铅蓄电池具有了电容器大功率(500W/kg以上)、长寿命(500次以上)的优点。当需要大功率放电时，由于活性炭响应快，首先由其提供大部分电流，同时铅上的放电电流缓慢增加，避免了负极受到大电流的冲击，减少了钝化的产生，延长了寿命。
附图说明
图1为本发明的极板结构示意图
其中：1.集流体，2.电活性物质，集流体网格为长方形。
图2为本发明的极板结构示意图
其中：1.集流体，2.电活性物质，集流体网格为菱形。
具体实施方式
实例1
如图1所示，在一个铅蓄电池负极板中，集流体1为铅-钙合金板栅，板栅孔为2cm2，电活性物质2为比表面2011m2/g的活性炭、铅粉、木素、炭黑和氧化铈。使用该极板制备出的蓄电池比功率达554W/kg，循环寿命达741次。
实例2
如图2所示，在一个铅蓄电池负极板中，集流体1为铅-钙-锡合金拉网板栅，板栅孔为1.2cm2，电活性物质2为孔容1.2cm3/g的活性炭、铅粉、木素、炭黑和氧化铋。使用该极板制备出的蓄电池比功率达613W/kg，循环寿命达658次。

Claims (3)

1.一种铅蓄电池负极板，其特征在于该负极板包括集流体(1)和电活性物质(2)，集流体用铅、铜、钛、钽、钨、铝、炭泡沫或硬质塑料制成，集流体表面镀铅，电活性物质为活性炭、铅粉、炭黑、碳纳米管、炭纤维、炭气凝胶、模板炭、介孔炭、碳化物衍生炭、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚烷基噻吩、聚对氟苯基噻吩、抑制析氢添加剂中一种以上物质，其中电活性物质中的活性炭比表面积1500～3000m2/g，孔容0.5～2.0cm3/g。
2.根据权利要求1所述的负极板，其特征在于添加剂为含铅、钛、锌、钡、锑、镉、银、汞或铋的氧化物、氢氧化物、硫酸盐或其混合物。
3.根据权利要求1所述的负极板，其特征在于集流体为网格状结构，网格孔隙大小为0.1～10cm2。
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