CN107275637A - 更迭充电式铅酸蓄电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了更迭充电式铅酸蓄电池的三内容；1，本蓄电池每种规格的每亇单元内的正、负极板，规格及片数都相同，用更迭充电的方式充电，使原来的正极板变为负极、负极板变为正极，使所有铅栅接受氧化的程度相等，以延长蓄电池的循环寿命。2，对现行技术蓄电池极板铅栅的厚度与形状进行调整，调整后的厚度为2.2至2.5毫米，用纯铅压铸，或用冲床冲制，使铅栅的栅条截面的形状为正方形或矩形，此措施也可延长蓄电池循环寿命。3，用纳米铅粉中掺入约1％左右的乙炔黑，为本蓄电池正、负极板的活性物质，纳米铅粉的比表面积大，可使蓄电池的比能量提升。本蓄电池可以制成园筒式、箱式等各种型式，不拘泥于任何型式，也可以在电解液中加些气相二氧化硅胶体制成免维护式。

Description

更迭充电式铅酸蓄电池

技术领域

本发明涉及电化学储能设备技术领域，可以更迭充电的蓄电池。

背景技术

铅酸蓄电池是目前世界上技术最成熟，价格最低，原材料最丰富，性 能稳定，可以回收再生利用……等等的许多优点。

但是，其循环寿命短，尤其是它的正极板铅栅一直无终止地被氧化为 PbO2而烂断，及负极板的硫酸铅化，是亇两大顽症，至今无最有效的技术措施。

本发明是在铅酸蓄电池的技术基础上衍生的一种蓄电池，为了提升铅 酸蓄电池在现有技术上的比能量及延长循环寿命，而提出的技术改革方案。

众所周之，所有的蓄电池(包括铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池...... 等等蓄电池)在充电时，必须认清电池极性的正、负，正对正，负对负，方能安 全充电，如果极性接反充电，将会使蓄电池损坏，甚至可能引起爆炸等危险。 所以，蓄电池在充电时，必须认清极性的正、负，确认正确后，才能充电。

铅酸蓄电池的鼻祖，是法国科学家普兰特(Raynond Gaston Plante)， 于1859年用两片铅板浸在稀硫酸中通入直流电，正极的那端被氧化为二氧化铅， 负极的那端仍是铅，只产生氢气逸出，两端间产生2.2V的开路电压，这是最原 始的铅酸蓄电池，因为此极板仅有表面的面积，不能输出较大的电流，不能实用。

1860年，普兰特终于研究成功实用的铅酸蓄电池，在铅箔的两个电极 上涂上铅粉经充电后增加容量，并向法国科学院提出铅酸蓄电池的工作模型。

现代铅酸蓄电池技术，都是以普兰特极板的技术为基础，经历无数次改进后结 下的硕果。正极板是铅，负极板也是铅，经过电化学处理后，正极板被氧化为 氧化能力极強的二氧化铅海绵体，其中的成分是由α-PbO2晶体和β-PbO2晶体 组成，这是1956年由Bade发现的，负极板被还原为铅质海绵体，这跟其他电 池截然不同，镍镉电池；正极镍和氧化镍，负极为镉，镍氢电池；正极同上， 极负为储氢材料中储存的氢。惟独铅酸电池正极板跟负极板都是由铅制成，铅 栅是铅锑合金或者铅钙合金，极板在化成(充电)前，其活性物质都是含有约60％至80％左右一氧化铅的铅粉，化成后，正极板被氧化为二氧化铅海绵体，负 极板被还原为铅质海绵体。

现有技术的铅酸蓄电池，都是遵循普兰特极板的基本原理，经过改进 再改进后实施的技术。

在现有技术上，铅酸蓄电池的正极板跟负极板的铅栅中所涂的活性物质。在化 成(充电)前，都是用铅粉球磨机磨碎的铅粉为原料，此原料是内含60％至80％ 的一氧化铅和金属铅粉的粉态混合物，其颗粒直径约2微米至16微米，加水调 成铅膏涂于铅栅的空格子内，正极板跟负极板不一样；正极板是3毫米厚，负极 板是2毫米厚，在每亇单元内，负极板要比正极板多1片，负极板中通常加入少 量的硫酸钡以改善性能，而正极板则不可。

由于正、负极板的特性不同，所以充电时必须认准极性，不可反接。

发明内容

迄今为止，绝对无人敢将电源极性反接对蓄电池充电，倘若反接极性 充电，其后果将会损坏充电器、蓄电池、或引起电池爆炸。

做一亇实验，取尺寸为135毫米×67毫米，厚度为2毫米的铅板A和 B，浸在30％左右的稀硫酸中，A板接正电，B板接负电，通入1安培的电流充电 5小时后，A板上生成偏棕色的二氧化铅，B板依然是铅，其颜色不变，两极板 间的开路电压为2.2伏特，作破坏性的短路放电试验，瞬间电流约15安培左右， 第二次短路时，电流为零，如此充、放电数十次，都是如此反应的结果。

另一个实验；再充电时将电源反接；将B板接上正电，A板接上负电， A板上的二氧化铅被还原为铅质海绵体，B板上的铅被氧化为二氧化铅海绵体， 每次也以1安培的电流充电5小时，完毕后，又做破坏性的短路放电试验，如此 进行了数十次，却得到神奇的效果，即是每一次充、放电后，其容量却跟充、放 电次数的增加而增大，其中有什么奥妙。道理很简单，请看以下简述；

按照本说明(0010)段的实验，铅板A自始至终，都被氧化生成二氧化 铅海绵体，二氧化铅海綿体因此愈积愈厚，因氧化而刻蚀铅板，消耗了铅，铅板 厚度变薄而变形。铅板B自始至终，都由铅氧化为硫酸铅和硫酸铅被还原为 铅的变换，但不能生成铅质海绵体，所以负极板铅的厚度絲毫不变，仍是原形。

按照本说明(0011)段的实验，铅板A和铅板B，因充电极性的变換， 都得到氧化与还原，铅板A生成过二氧化铅海绵体，也生成过铅质海绵体，铅板 B也是如此，两极板都随着充电次数的增加，二氧化铅及铅质海綿体的质量也同 步增加，其容量也跟着增大，这是为何要更迭充电的科学依据。

本发明为了治疗铅酸蓄电池正极板铅栅的烂断，及负极板产生“硫酸铅 化”的两大顽症，而提出的技术改革措施，包括下列三亇技术改革方案；

【1】，用更迭充电的方式对本蓄电池充电，更迭充电的意思并不是每次 充电都变換充电的极性，如果这样做，反而造成大大的损害，这绝对不可取。

应该在本蓄电池使用中的第一年用正向充电，即是充电器的正极端对蓄电池的 正极充电，蓄电池的负极端对蓄电池的负极充电。第二年使用改为反向充电，即 是充电器的正端对蓄电池的负极充电，使蓄电池的负极转变为正极，正极转变为 负极。第三年使用又用正向充电，第四年又用反向充电，如此变換极性。

必须主意，在第一次变換极性充电时，必须将电池的电放光后才可充 电，不然，充电电流很大，可能损坏充电器，但可以使用恒电流的充电器充电， 限制了充电的电流，本说明书附图1的充电器，可作参考，第一次充电以后，已 经改变了蓄电池的极性，以后每次充电，可用常规的充电器充电，此措施也可以 延长本蓄电池的循环寿命，是一项绝对有益的技术改革方案。

本蓄电池用更迭极性充电有何好处，为何能延长它的循环寿命，理由 如下；蓄电池充电时相似水的电解，每次充电时，正极处于氧化反应，正极产生 的氧，能将正极铅栅中因电池放电后所生成的一氧化铅、硫酸铅、都氧化为二氧 化铅，同时也将铅栅的表面也氧化为二氧化铅，二氧化铅能导电，不能构成致密 的氧化膜保护铅栅被继续氧化，而继续向里面推进，甚至无终止地将铅栅氧化， 使铅栅一层又一层地被刻蚀，最后便断了栅条。

经过长期充电后，正极铅栅的铅，一层又一层地被氧化为二氧化铅， 被“刻蚀”而“瘦身”，于是，栅条(筋条)的截面积愈来愈小，最后断了，俗 称铅栅被氧化烂断。铅栅是活性物质二氧化铅的依附体、支撑体、及集结电流 的导电体，二氧化铅为“毛”，铅栅为“皮”，皮之不存，毛将焉附。因此，活 性物质二氧化铅失去了依附体、支撑体、不能集结电流，使蓄电池的容量逐渐减 低，最后，电池內部形成极大的內电阻，而使电池报废。

传统铅酸蓄电池的正极铅栅是长期被氧化的，没有被还原的机会，而 负极板的铅栅，在放电时被氧化为硫酸铅，充电时硫酸铅又被还原为铅，不受到 侵蚀而完好无损，这使正、负极板的铅栅，在使用上极不平衡。

更迭极性充电对铅栅的使用很平衡，正、负极板都参与氧化与还原，即 是由正、负极板的铅栅平摊氧化，正、负极板的铅栅都得到还原为铅，在理论上， 可以延长循环寿命200％，这是延长本蓄电池循环寿命的手段之一招。

【2】，本蓄电池对现有技术铅栅的厚、薄、形状、进行调整，将原正极 板的铅栅由3毫米厚减薄为2.2毫米至2.5毫米厚，负极板的铅栅由2毫米厚 增厚至2.2毫米至2.5毫米，使正、负极板一样，适于更迭充电。铅栅框架及 其内栅条(筋条)的横截面的形状，改为正方形或者矩形。

为了有利于压铸，现有技术的铅栅都是用铅锑合金或铅钙合金来压铸， 但增加了铅栅的电阻，金属愈纯，导电性能愈好，基于此，本蓄电池为了降低铅 栅的电阻，改用纯铅压铸，或用2.2毫米至2.5毫米厚的纯铅板用冲床冲制。

【3】，采用纳米铅粉，其中再掺入约1％左右的乙炔黑，为本蓄电池的活 性物质，因纳米铅粉的单位比表面积，与传统用的铅粉相比，因其比表面积增大， 对提升铅酸蓄电池的比能量，自然能起关键性的作用。在现行技术上，负极板的 活性物质中常添加少量的硫酸钡以改善负极板的性能，但对正极板却是不利，故 本专利取消了硫酸钡，使正、负极板一样，因此可以更迭充电。

按【1】、【2】、【3】、的三亇措施，是本发明的技术改革方案。

方程式(1)“Pb(负极)+PbO₂(正极)+2H₂SO₄(电解液)-PbSO₄(负 极)+PbSO₄(正极)+2H₂O(电解液)”是公认的铅酸蓄电池总反应的理论方程式。

方程式(2)“Pb(负极)+PbO₂(正极)+H₂SO₄(电解液)——PbSO₄(负 极)+PbO(正极)+H₂O(电解液)”是本申请人提出的铅酸蓄电池总反应的实际方程 式，由于申请人学识所限，该方程式是否正确，仅作为参考。

方程式(2)并不是推翻(0024段)所述的方程式(1)，因为任何能量转 換，实际总是不能跟理论相等的，在拆解所有报废的废电池中，发现正极板上有 90％以上是淡黃色的一氧化铅，也有少量残留的二氧化铅，生成白色硫酸铅的数 量极少。

二氧化铅不能溶解于稀硫酸，在稀硫酸中是非常穩定的，电池在放电后，二氧 化铅失去一亇分子的氧，变为一氧化铅，一氧化铅跟稀硫酸反应才能化合为硫酸 铅，如方程式PbO+H₂SO₄——PbSO₄+H₂O所示。

因为报废的铅酸蓄电池，大部都是失水干涸，己经没有稀硫酸跟一氧化铅起反 应了，所以不能生成硫酸铅。

附图说明

附图1是简易10安倍恒电流充电器的电路示意简图，图中开关Q，电 容器C 150μF/500V，指示灯HL，桥式全波整流器U 20A/500V，接地E，泄放 电阻R 10K/2W，输入电流表ACPA，输出电流表DCPA。

附图2是12V 20AH本蓄电池的极板铅栅尺寸示意图，此图仅作参考

具体实施方式

实施例1，以本蓄电池12V 20AH的规格，其壳子外形尺寸为；高170 毫米×长180毫米×阔77毫米，极板尺寸为长135毫米×阔67毫米×厚2.2毫 米至2.5毫米，每单元为8片(正4、负4)，总片数共48片，正、负极板的活 性物质，是纳米铅粉内含有约1％左右的乙炔黑，其目的，是依靠乙炔黑具有极 大的比表面积(200平方米/克)及优良的导电性，改善极板的性能。

本实施例所用的铅粉，是采用名称为“铅酸蓄电池专用纳米铅粉电生长 制粉法”(专利号201611119242.8)的制造方法制取的纳米铅粉，由于是实验性， 并且属于自产自用，制取时所需的洗涤水，因经济能力等所限，竟然使用家用的 自来水，难免其中含有微量的氯离子，可能降低质量，倘若大规模投产，当然采 用阳离子交換法或反渗透膜法制备的纯净水使用，使质量更佳。

其他如电解液、隔板等材料及涂膏、化成、装配等工艺，依照现有的 技术实施。

Claims (3)

1.一种更迭充电式铅酸蓄电池，其特征是；各种型式包括免维护式在内的本蓄电池，在一亇规格里，只有一种规格相同的极板，正、负极板的质量及化学成分完全相同，可以更迭极性进行充电，变更本蓄电池的正极板跟负极板的极性。

2.按权利要求1所述的更迭充电式铅酸蓄电池，其特征是；改变现有技术传统铅栅的形状，摒弃铅锑合金或铅钙合金压铸的铅栅，改用纯铅压铸的铅栅，或用2.2毫米厚至2.5毫米厚的纯铅板用冲床冲制的铅栅，使铅栅筋条的截面为正方形或者矩形。

3.按权利要求1所述的更迭充电式铅酸蓄电池，其特征是，用颗粒直径5纳米至20纳米或低于50纳米的铅粉，为本蓄电池正极板跟负极板的活性物质，其中掺入约1％左右的乙炔黑，摒弃了负极板添加的硫酸钡，因为硫酸钡对负极板固然有利于改善性能，但对正极板却是有害。