CN105006565A - 一种铅-锂杂交二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环保、安全、高能的铅－锂杂交二次电池，是由半锂电池做正极和半铅酸蓄电池做负极，采用水系电解液硫酸锂结合成的新电池体系。公开了该电池的正极板、负极板制造，电解液的配制，槽盖的定型制造和电池的组装。本发明吸收了铅酸蓄电池和锂离子电池的各自优点，免除了两种电池存在的缺点。达到了环保、安全、低耗、高能、长寿命的要求。

Description

一种铅-锂杂交二次电池
技术领域
本发明涉及一种二次电池。尤其是一种铅-锂电池。
背景技术
铅酸蓄电池工艺成熟、高可靠性能、成本较低、原料丰富并95％可回收利用，是化学电源中不可取代的一种非常成功的产品。但是由于它要用H2SO4(作为电解液)与铅(作为电极材料)，所以污染环境，同时能量密度低，过于笨重。
锂离子电池由于其容量大，寿命长，自放电少且绿色环保而受到青睐；但因其不可过充电、温度范围窄，成本高，生产较复杂，特别是电液是易燃的有机溶剂，发生碰撞、冲击，电液泄漏会引起爆炸和燃烧，安全性差。
所以现有二次电池仍需不断的改进和提高。
发明内容
为了解决上述弊端，本发明所要解决的技术问题是，提供一种环保、安全、高能的新型二次电池。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种铅-锂杂交二次电池，该电池的外壳内装置电解液、正极、负极及其隔板，其特征在于，正极采用LiMn2O4(尖晶石型锰酸锂)正极，负极采用pb/pbso4负极，电解液采用锂离子系列水系电解液，其工作原理是：
负极反应：
正极反应：
电池反应：
上述技术方案中，采用的锂离子水系电解液与铅蓄电池H2SO4电解液性能相近或相似。优选地，所述电解液采用浓度为0.2～0.5mol/L的Li2SO4水溶液(即每升水溶液中含Li2SO4的重量为26克～54.969克)。负极用铅毛制造，内含PbSO4粉体。隔板可采用聚乙烯材料。外壳可采用ABS塑料。
该电池是以铅酸蓄电池负极——pb/pbso4和锂离子电池正极——尖晶石材料混成的无酸型可充式电池。
优选地，所述极板的制造方法是：
1)正极板制造：
配方1：按重量比：87％LiMn2O4、10％乙炔黑，采用3％PVDF(聚偏氟乙烯)作为粘结剂，用N-甲基吡咯烷酮调和成浆糊。
配方2：按重量比：75％LiMn2O4、15％乙炔黑，采用1％CMC(羧甲基纤维素钠)和9％PTFE(聚四氟乙烯)作为粘结剂，用乙醇调和成浆糊。
将糊状物涂在铅板上或镍板、铝板上，最好方案是涂填在铅板上，便于组装(焊接)，涂填完浆糊料后，进行辊压，压实活性物质后干燥，即得正极板。
2)负极板制造：用铅毛铺在板栅上，添加PbSO4粉末，再外层铺一层铅毛，即得负极板。
本发明的有益效果在于，本发明将铅酸蓄电池电解液H2SO4,锂离子电池电解液易燃的有机溶剂剔除，改用硫酸锂水溶液，避免了对环境的污染和因碰撞、冲击、泄漏引起的爆炸和燃烧。大大地提高了锂离子电池的安全性。而且硫酸锂电解液有极好的电化学特性。
本发明能减少制造铅酸蓄电池耗铅量的50％，而且比原铅酸蓄电池提高比能量近3倍；寿命延长2-3倍；同时用金属负极(铅)代替锂离子电池安全性差的金属锂，对锂离子电池负极合金化(金属化)是一种推进。
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为铅－锂电池原理结构示意图，其中，10-正极，20-隔板，30-负极，40-电解液；50-外壳；
图2为具体实施例铅－锂电池结构示意图，其中，1-电池注液孔盖，2-正、负极柱，3-电池槽壳，4-电解液(水剂)，5-极板(正极板涂填在铅泊上的LiMn2O4，负极板为Pb/PbSO4)，6-聚乙烯隔板；
图3为铅－锂电池伏安曲线图(扫描速度5mvs－1)。
具体实施方式
参见图2，反映本发明的一种具体结构，所述铅-锂杂交二次电池的制造包括如下步骤：
第一步极板制造：
1)正极板制造：
配方1：按重量比：87％LiMn2O4、10％乙炔黑，采用3％PVDF作为粘结剂，用N-甲基吡咯烷酮调和成浆糊。
配方2：按重量比：75％LiMn2O4、15％乙炔黑，采用1％CMC和9％PTFE作为粘结剂，用乙醇调和成浆糊。
将糊状物涂在铅板上或镍板、铝板上，最好方案是涂填在铅板上，便于组装(焊接)，本例中采用铅板作为骨架，铅板抛砂处理，增粗糙表面，有利活性物质粘结，涂填完浆糊料后，进行辊压，压力为10Mpa，压实活性物质后干燥(干燥温度120℃、干燥时间12h)。
2)负极板制造：用铅毛铺在板栅上，添加PbSO4粉末，再外层铺一层铅毛，便成负极板。
第二步：配制电解液：取54.9gLi2SO4溶于1升纯水中，根据需要添加活性剂(Na2SO4或其他)，即水系电解液。
第三步：槽盖制造：可根据电池极板的尺寸和组装极板的多少定型电池整体尺寸后开模压制电池槽盖。
第四步：组装电池：将正、负极板加外购的聚乙烯隔板组成电池极群(焊接)入槽，加盖进行热封，注入电液。即得所述铅-锂杂交二次电池。
上述铅－锂电池电压：参见附图3-伏安曲线图,从曲线分析:Pb/PbSO4氧化还原反应时对应在－0.6～-0.36V；LiMn2O4氧化还原反应时对应在0.62～0.86V或0.78～1,也对应着Li2SO4溶液中从LiMn2O4来的Li+的嵌层/脱层反应
上述铅－锂电池的性能：电池充电最高电压：1.8V，比铅酸蓄电池2.4V低，寿命效率(充/放电效率)100％，比铅酸蓄电池85％高，充/放电可靠性高，循环寿命长，理论上可达到10000次以上，Pb/PbSO4的还原电位低于析氢电位，LiMn2O4的还原电位低于析氧电位，原则上不析氢不析氧，这是本发明铅－锂电池无酸型可充式的特点。由于电池工作电压低，自放电很小，不可逆容量损失小，在110次循环后，电池容量衰减还小于1％。因此容量保持性优良，平均放电电压为1.3V，这是因为Li+的嵌层/脱层反应从LiMn2O4主体各个不同部位进/出Li+的结果。
在1.3V电位下电池的可逆容量128mAhg－1，放电电流为200mAg-1,当充/放电电流增大从0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0至3.0Ag－1时，电池容量会减少从117.5、114.6、110.9、108.8、97.5、94.6至78.4Ag－1，这主要是Pb/PbSO4太低的氧化还原动力学，这是可充式铅酸蓄电池的关键所在。
根据Pb/PbSO4容量50％计算(88mAhg－1)，LiMn2O4(128mAhg－1)，电池的能密为68whkg－1，比铅酸电池高得多。
由于PbSO4、LiMn2O4两个电极即两个半电池都以固相形式出现，要比Zn(锌Zn/LiMn2O4、Zn/NaxMnO2)等组合电池好得多，例如Zn会溶解，所以PbSO4、LiMn2O4是非常搭配合理的铅－锂无酸型可充式电池(ARLBS)。
综上，本发明在电化学理论是成立的，在实际应用上是可行的，而且吸收了铅酸蓄电池和锂离子电池的各自优点，免除了两种电池的缺点。从实验的样品测试证明各项性能指标都大大超过，达到了环保、安全、低耗、高能的要求，是一种很有发展前景的新型电池。
本发明描述的上述实现方式仅是为了清楚的说明本发明的技术方案，而不能理解为对本发明做出任何限制。本发明在本技术领域具有公知的多种替代或者变形，在不脱离本发明实质意义的前提下，均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铅-锂杂交二次电池，该电池的外壳内装置电解液、正极、负极及其隔板，其特征在于，正极采用LiMn2O4正极，负极采用pb/pbso4负极，电解液采用锂离子系列水系电解液，其工作原理是：
负极反应：
正极反应：
电池反应：
2.如权利要求1所述的一种铅-锂杂交二次电池，其特征在于，所述电解液采用浓度为0.2～0.5mol/L的Li2SO4水溶液。
3.如权利要求1或2所述的一种铅-锂杂交二次电池，其特征在于，电池极板的制造方法是：
1)正极板制造：配方：按重量比，87％LiMn2O4、10％乙炔黑，采用3％PVDF作为粘结剂，用N-甲基吡咯烷酮调和成浆糊；将糊状物涂在铅板或镍板或铝板上，涂填完浆糊料后，进行辊压，压实活物质后干燥，即得正极板；
2)负极板制造：用铅毛铺在板栅上，添加PbSO4粉末，再外层铺一层铅毛，即得负极板。
4.如权利要求3所述的一种铅-锂杂交二次电池，其特征在于，所述正极板制造中，所述的辊压压力为10Mpa，压实活性物质后干燥，干燥温度120℃，干燥时间12h。
5.如权利要求1或2所述的一种铅-锂杂交二次电池，其特征在于，电池极板的制造方法是：
1)正极板制造：配方：按重量比，75％LiMn2O4、15％乙炔黑，采用1％CMC和9％PTFE作为粘结剂，用乙醇调和成浆糊；将糊状物涂在铅板或镍板或铝板上，涂填完浆糊料后，进行辊压，压实活性物质后干燥，即得正极板；
2)负极板制造：用铅毛铺在板栅上，添加PbSO4粉末，再外层铺一层铅毛，即得负极板。
6.如权利要求5所述的一种铅-锂杂交二次电池，其特征在于，所述正极板制造中，所述的辊压压力为10Mpa，压实活性物质后干燥，干燥温度120℃，干燥时间12h。
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