CN104022315A - 一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，所述水平双极管式胶体蓄电池采用水平双极结构组装，并采用管式极板、胶体电解液、与单格上装配有双注液孔的铅酸蓄电池组成，所述水平双极结构指蓄电池单格之间的极片采用水平放置，即一片负极上平铺一片或多片多孔耐酸隔膜而后，再平铺一片正极，依次装配。并且前一格的电极正极板(或负极)与相邻一格的负极板(或正极)水平连接，连接区通过石蜡、AB环氧树脂胶、ABS丁酮胶等或耐酸密封环部件密封，以隔绝格间的电解液。本发明能有效提升电池比能量，延长蓄电池使用寿命。

Description

一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种双极蓄电池及其制备方法，尤其涉及一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法。
背景技术
铅酸蓄电池是一种应用最早、最广泛可充二次电池，然而，相对于其他如锂离子电池等新型电池而言，却存在着寿命较短、比能量相对较低等缺点，从而限制了其发展。事实上，铅酸蓄电池有着许多十分明显的优点，尤其是其大电流放电能力强、耐过充过放、安全，工艺极其成熟，以及原材料广泛、价格便宜等等。因此，如何解决上述缺点一直是电池乃至能源行业的重要课题，目前，对此业内一般从几个重要的方面着手：
一方面，从电池结构进行改进：
传统电池往往采用单极设计，极群通过汇流排引出，活性物质所产生的电流传送到集流体并通过相互连接的极耳到达下一节电池，因此不仅增加了电池的重量，降低了比能量，还给电力输出造成负面的影响。为此，人们很早就提出双极电池结构，这是一种极其先进的电池结构，其早以得到业界的广泛认可，该结构分为一般双极和水平双极两种。其中，一般双极的活性物质被涂覆在双极基板的两面，电流能从基板流动到下一节电池，电流路径极短，故在电路中因电阻电压降而造成的电荷损失达到了最小，电池体积也因此大大减少，很具前景，但因其材料及工艺目前尚未形成完整的产业链而成本较高，制作较为困难。相对而言，水平双极结构在具有一般双极结构的同时，还具有与传统电池工艺移植性良好的特点，即其极片制作可以与传统极片制作一致，配套的设备和工艺及其成熟，因此水平双极具有很好的融入性。
另一方面，从极板结构进行改进：
传统电池一般采用板栅涂膏制备正、负极板，然而，涂膏式极板在长期的循环使用中其活性物质会随充放电体积变化而降低强度，甚至产生脱膏现象，使其循环寿命缩短。而管式电极正好具有长寿命、高可靠性、宽广的温度适用范围等特点，加上其优越的大电流放电和深循环能力、充电接受能力强、过放电性能恢复性能好等优点，逐步变成通信、电力和电动车用电源的发展方向。因此，在动力型深充放且有长寿命要求的电池应用领域，往往采用管式极板，以满足其要求。
再一方面，从电解液着手进行改进：
当电池采用胶体性电解液时，蓄电池内部不存在游离态的硫酸，降低板栅腐蚀。同时，胶体电解液构成三维结构的胶质固态聚合电解质伴有微细裂纹，使蓄电池正极产生的氧能通过裂纹到达负极，在负极上还原而完成蓄电池氧内循环，或将负极产生的微量氢与氧合成水返回电池完成水循环，使得电池使用过程中不会失水，从而多方面为蓄电池的使用寿命提供保障。
此外，还可以改善化成工艺：
传统电池一般采用外化成，即将正负极片在化成槽内化成为熟极片后，在干燥组装成电池，由于外化成过程中产生大量酸雾，占用大量场地，浪费能源，已开始逐步被内化成所取代。内化成即将生极片组装成电池后，加酸，在电池盒内进行化成，电池极片所受污染小，电池寿命长，且工艺更满足环保要求。事实上，二者各有优缺点，外化成化成透彻，化成温度、浓度、极板质量易控，而内化成则初期化成较为困难，电池内部温度可能存在不均匀，电池一致性略差等。
因此，如何解决铅酸蓄电池各项缺点，进一步提升其性能，本发明人认为，应当从不同的方面同时着手，综合考虑，才会有所成效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能提升电池比能量，延长蓄电池使用寿命的水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，所述水平双极管式胶体蓄电池采用水平双极结构组装，并采用管式极板、胶体电解液、与单格上装配有双注液孔的铅酸蓄电池组成，其特征在于：所述水平双极结构指蓄电池单格之间的极片采用水平放置，即一片负极上平铺一片或多片多孔耐酸隔膜而后，再平铺一片正极，依次装配。并且前一格的电极正极板(或负极)与相邻一格的负极板(或正极)水平连接，连接区通过石蜡、AB环氧树脂胶、ABS丁酮胶等或耐酸密封环部件密封，以隔绝格间的电解液。
进一步的，所述正、负极极片可以根据盒体做成相应形状，极耳从其中心或两侧引出，优选为正方形，中心引出，所述隔膜为PVC、PVC+SiO2隔膜、AGM隔膜、聚酯隔膜、AJS隔膜中的一种或多种组合。
进一步的，所述管式电极正负极均采用管式、正极单独采用管式而负极采用板栅涂膏、或者负极采用管式而正极采用板栅涂膏的组合方式。
进一步的，所述管式极指的是将正、负极活性物质与其他添加剂直接干粉混合后，通过振粉机将混合料直接加入到耐酸性排管中，或者通过将活性物质与其他添加剂和膏后，通过挤膏设备挤入耐酸性排管中，最后通过集流体导出，得到正、负极管式电极。
进一步的，所述的耐酸性排管包括涤纶排管，多孔PP排管，玻璃纤维排管；所述的管式电极可以采用外化成形式先行充电化成后组装电池，也可以采用组装后再用内化成方式进行激活，还可以采用结合内、外化成两者优点的液流式化成方式进行；所述的排管内径分别是正极在3-20mm之间，优选直径在5-12mm；负极在4-16mm之间，优选6-10mm。
进一步的，所述管式极板可以是正、负极均采用管式，也可以正极采用管式而负极采用传统板栅涂膏式的板式，还可以是负极采用管式而正极采用板式，优选正极管式负极板式。
进一步的，所述胶体电解液是指以气相或液相法等制备的二氧化硅(SiO2)为成胶核心，加入一定比例的水或硫酸溶液后分散成胶，或将二氧化硅(SiO2)先与水混合后，配置成原胶，而后在加入一定量的硫酸或其水溶液配成所需的胶体电解液。胶体电解液可以整体取代传统电解液，也可以部分代替传统电解液：即电池主体仍然为传统电解液，而仅在顶部加上少量胶体，以形成胶盖。
进一步的，所述二氧化硅(SiO2)优选气相二氧化硅，粒径0-500nm之间，优选5-100nm之间。在胶体中所占总质量的比例在0-30％之间，优选比例1-15％。
更进一步，所述双注液孔是指在电池盖上，每个电池单格配置有两个加酸孔，一方面在普通内化成时起到共同加酸的作用，另一方面在在采用液流式化成期间起到电解液导流作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1：通过采用水平双极结构，电池充放电性能提升的同时，由于不需要汇流排，十分有效的降低蓄电池整体重量，从而大大的提高了电池的比能量。同时，由于极片采取水平放置，不同于传统电池一样存在板栅顶部活性物质在循环过程中脱落的现象，延长了电池循环寿命；
2：通过采用管式电极结构，进一步保证活性物质能被很好的束缚在套管内，使其质保持在管子中央不易发生脱落，同时，铅合金骨架由于被活性物质包围，其腐蚀速率也减缓。从而保证蓄电池循环寿命；
3：通过采用胶体性电解液，使得蓄电池内部不存在游离态的硫酸，降低板栅腐蚀。同时，胶体电解液构成三维结构的胶质固态聚合电解质伴有微细裂纹，使蓄电池正极产生的氧能通过裂纹到达负极，在负极上还原而完成蓄电池氧内循环，或将负极产生的微量氢与氧合成水返回电池完成水循环，使得电池使用过程中不会失水，从而多方面为蓄电池的使用寿命提供保障；
4：通过采用双加液孔设计，使得电池能够采用普通内化成方式化成，更有利的是电池可以选择采用液流式内化成：即电解液依次在各单格内流动，能在保证酸密度的同时，带出化成时候的热量，控制化成温度，并带出内部可能产生微小残渣，减少电池微短路隐患，同时无酸雾产生。这样就结合了内化成、外化成两者的优势，同时，双孔设计还提高了加酸效率，并由于具有两路排气系统，增加了电池安全性。
附图说明
图1为本发明水平双极管式胶体蓄电池奇数层极片示意图。
图2为本发明水平双极管式胶体蓄电池偶数层极片示意图。
图3为本发明水平双极管式胶体蓄电池电池盒示意图。
图4为本发明水平双极管式胶体蓄电池双加液孔示意图。
图5为本发明水平双极管式胶体蓄电池的极片组装的侧面示意图。
图中标号：
1-负极单极片2-管式正极单极片3-水平双极片4-双极片正负
极水平连接条5-隔膜6-正极端子7-负极端子8-13-电池单格
14-水平双极管式胶体蓄电池15-加液孔16-电解液导流管17-
电解液进液管18-电解液出液管19-双极片正负极竖直连接条
具体实施方式
以下结合附图，分别以标准的12V水平双极管式胶体电池、以及6V水平双极管式胶体电池为例，对本发明进行具体实施说明：
实施例1
在本发明的一个实施例中，制备了一只12V水平双极管式胶体电池。如图1、2、3中，首先将一片负极单极片1水平铺在负极端子7所在的电池单格8中，而后在相邻的单格9、10中加入水平双极片3，双极片正极片端位于单格9中，负片端位于单格10中，然后再单格11、12中加入另一片水平双极片3，如前所述，正负极片相间即可；最后，在正极端子6所在单格13中铺上一片管式正极单极片2。至此，水平双极管式胶体蓄电池第一层或者说底层极片组装完毕；
接下来，在各单格8-13中的极片上加上一层AGM隔膜5，铺好第一层隔膜层；
然后，铺叠第二层双极片，分别在单格8与9、10与11、12与13中加入水平双极片3，注意保证水平双极片3的正、负极片端分别与底层极片的负、正极片端相对。然后同上叠上第二层隔膜层，再如底层极片一样叠上第三层极片，在叠上第三层隔膜层，如此重复即可。
电池叠装完毕后，将水平连接条处用AB环氧树脂胶密封，保证电池单格之间不漏液不短路。最后如传统电池一样，封好电池盖，引出正负极端子，加酸化成即得到长寿命、高放电性能的水平双极管式胶体蓄电池14。
电池可采用外化成好的熟极片极片组装，也可采用未化成的生极片进行组装后内化成。甚至可以采用结合内外化成两者优势的液流式内化成，如图4所示：即由于电池各单格均设计有两个加液孔15，故通过电解液导流管16，可以将各单格电解液串联起来。具体而言，就是电解液通过电解液进液管17进入电池第一格8后，通过电解液导流管16依次进入电池第二格9至第六格13，最后通过电解液出液管18导出。
实施例2
在本发明的另一个实施例中，制备了一只6V水平双极管式胶体电池，如图5所示的是水平双极电池的另一种电极组装侧面示意图，对于电流引出端的单格而言，分别采用了四片管式负极单极片1和三片管式正极单极片2进行组装。其组装操作与实施例1所述基本一致，区别在于底层和顶层的极板全部为单片负极板(或正极板)以及双极片的负极片端(或正极片端)组成，相对的正负极之间加上一层PVC隔膜5，正负相间层叠而成。相邻单格之间的水平双极片3由双极片的正负极竖直连接条19连接而成为水平双极极片组以均匀分布电流，最后装入相应的电池盒中，并由正极引出正极端子6、负极引出负极端子7，电池叠装完毕后，将双极片正负极竖直连接条19处用ABS丁酮胶进行密封，保证电池单格之间不漏液、不短路后加入一定浓度的SiO2胶体电解液进行化成、测试。
本发明虽以上述附图及实施例予以说明，但并不限于以上附图与实施例。如正负极引出端，既可以与附图一样，采用同侧引出，也可以在电池两端采用对侧引出，以利于电池组串联组装；水平双极管式胶体电池可以用于任何4V及以上电压规格的电池设计，而不仅限于附图所示的12V或6V电池结构等等。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，所述水平双极管式胶体蓄电池采用水平双极结构组装，并采用管式极板、胶体电解液、与单格上装配有双注液孔的铅酸蓄电池组成，其特征在于：所述水平双极结构指蓄电池单格之间的极片采用水平放置，即一片负极上平铺一片或多片多孔耐酸隔膜而后，再平铺一片正极，依次装配。并且前一格的电极正极板(或负极)与相邻一格的负极板(或正极)水平连接，连接区通过石蜡、AB环氧树脂胶、ABS丁酮胶等或耐酸密封环部件密封，以隔绝格间的电解液。
2.根据权利要求1、2所述的一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，其特征在于：所述正、负极极片可以根据盒体做成相应形状，极耳从其中心或两侧引出，优选为正方形，中心引出，所述隔膜为PVC、PVC+SiO2隔膜、AGM隔膜、聚酯隔膜、AJS隔膜中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1、2所述的一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，其特征在于：所述管式电极正负极均采用管式、正极单独采用管式而负极采用板栅涂膏、或者负极采用管式而正极采用板栅涂膏的组合方式。
4.根据权利要求4所述的一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，其特征在于：所述管式极指的是将正、负极活性物质与其他添加剂直接干粉混合后，通过振粉机将混合料直接加入到耐酸性排管中，或者通过将活性物质与其他添加剂和膏后，通过挤膏设备挤入耐酸性排管中，最后通过集流体导出，得到正、负极管式电极。
5.根据权利要求1、2所述的一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，其特征在于：所述的耐酸性排管包括涤纶排管，多孔PP排管，玻璃纤维排管；所述的管式电极可以采用外化成形式先行充电化成后组装电池，也可以采用组装后再用内化成方式进行激活，还可以采用结合内、外化成两者优点的液流式化成方式进行；所述的排管内径分别是正极在3-20mm之间，优选直径在5-12mm；负极在4-16mm之间，优选6-10mm。
6.根据权利要求1、2所述的一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，其特征在于：所述管式极板可以是正、负极均采用管式，也可以正极采用管式而负极采用传统板栅涂膏式的板式，还可以是负极采用管式而正极采用板式，优选正极管式负极板式。
7.根据权利要求1所述的一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，其特征在于：所述胶体电解液是指以气相或液相法等制备的二氧化硅(SiO2)为成胶核心，加入一定比例的水或硫酸溶液后分散成胶，或将二氧化硅(SiO2)先与水混合后，配置成原胶，而后在加入一定量的硫酸或其水溶液配成所需的胶体电解液。胶体电解液可以整体取代传统电解液，也可以部分代替传统电解液：即电池主体仍然为传统电解液，而仅在顶部加上少量胶体，以形成胶盖。
8.根据权利要求7所述的一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，其特征在于：所述二氧化硅(SiO2)优选气相二氧化硅，粒径0-500nm之间，优选5-100nm之间。在胶体中所占总质量的比例在0-30％之间，优选比例1-15％。
9.根据权利要求1所述的一种水平双极管式胶体蓄电池及其制备方法，其特征在于：所述双注液孔是指在电池盖上，每个电池单格配置有两个加酸孔，一方面在普通内化成时起到共同加酸的作用，另一方面在在采用液流式化成期间起到电解液导流作用。
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