CN1092561A - 蓄电池极板压实形成的笼形组合体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压实阀调节式铅酸蓄电池内的极板 组合体的方法和装置，据此可以容许蓄电池外壳膨胀 而不致使蓄电池各极板之间滑移或部分不接触。

Description

本发明总的说来涉及铅酸蓄电池，特别是涉及密封式铅酸蓄电池（SLAB）、重组体（recombinant）和阀调节式铅酸蓄电池（VRLAB）。更具体地说，本发明涉及蓄电池在其整个使用期间保持其极板与隔板紧密接触的整套装置。
铅酸蓄电池组电池通常由一个或多个正极板和一个或多个负极板组成，正负极板交替配置，毗邻的各对极板之间有一个隔板。正极板的有效成分是二氧化铅，负极板的有效成分是海绵状铅。隔板采用多种材料。目前，隔板一般由吸水性玻璃纤维材料组成的可压实垫板或海绵体制成。这种吸水性玻璃垫（AGM）在正负极板之间不仅起电绝缘的作用，而且还吸收和含有电池工作需要的酸电解液（H2SO4+H2O）。
为使毗邻的各正负极板彼此紧靠在一起，各极板和隔板装配成使各极板直立，在蓄电池的池壁之间压实。这种配置方式使各隔板处于压实状态。AGM被压实时吸收更多的电解液。每一种AGM都有特定的压实范围，在该压实范围内会吸收最大量的电解液。通常，AGM是在加上电解液之前压实的。除溢流重组式蓄电池外，配备AGM的SLAB中的全部电解液通常都包含在AGM和极板的孔隙中。
AGM隔板压实到最恰当的情况时，不仅可以增加电解液的吸收量，而且还可以使各隔板与其毗邻的各极板良好接触。特别重要的一点是，每一个隔板都要与各毗邻极板的整个表面部位完全接触。极板与隔板的这种接触在各极板之间形成了离子通过隔板的导电通路。
据发现，极板表面与隔板无论任何原因引起的不接触，都会使电池的性能即刻变坏，寿命缩短。发生这种不接触之后，蓄电池的放电容量会下降，蓄电池极板单位平方英寸表面积输出的电流值减小，内电阻增加。这种不接触情况在对铅酸蓄电池特别是密封VRLAB进行再充电时过于频繁。铅酸蓄电池在再充电过程中产生气体。特别是在每个电池电压超过2.35伏时更是如此，而这个电压级正是铅酸蓄电池完全充电所必须达到的电压级。
由于VRLAB是密封的，因而蓄电池外壳将再充电过程中产生的气体围困在外壳中，除安全阀外，这些气体要逸出都没门儿。气体体积增加，促使蓄电池外壳内气体的压力增加。气体压力增加，即使增加到低于安全阀释放所需要的压力，也会使蓄电池外壳膨胀。这种膨胀往往使极板表面与隔板表面不接触。而这个不接触会使电池性能即刻变坏，寿命缩短。
为防止外壳膨胀，人们进行了种种尝试。这些尝试包括：在蓄电池外壳上加肋条或把壳壁加厚等。然而这些尝试并不能彻底解决问题，而且它们还给蓄电池增加不必要的重量和造价。
蓄电池外壳膨胀并不是产生气体所引起的唯一问题。气泡在直立的各极板之间浮现，与极板上的活性材料接触。这一接触使极板表面附近的活性材料变形而松弛。这个变形可能使活性材料成片剥落，并使其掉进各极板之间或与气流一起上升。这会使各极板之间短路。此外，活性材料脱落还会产生振动载荷和冲击载荷。
电解液会沉积在各直立的AGM内。硫酸（H2SO4）的比重比水（H2O）大，因而随着时间的推移会沉积到直立的AGM底部。这种沉积会使直立的AGM下面部分的比重比同一AGM的上面部分大。当AGM上面部分中酸的浓度变得过低时，电池在该部位的电阻增加，从而使电池导电能力更大的部位更容易放电。这使导电能力更大的部位中的糊状电解质不均匀且过量放电。电解质沉积在各AGM中时电池容量总的减小了。
本发明解决上述问题的办法是公开一种能使电池在蓄电池组中保持一个整体的装置。更具体地说，该装置是通过使经压实的电池组合体在蓄电池外壳膨胀时保持压实状态来保持整体性的。本发明特别适用于重组体铅酸蓄电池，且可与任何电压或数量的电池配用。实践证明，这类电池中如果选择如美国专利4，865，933中公开的蓄电池极板和铅板元件配用，则效果特别好，这里也把该美国专利包括进去以供参考。
本发明总的说来是在压实作用下将蓄电池极板和隔板组成的组合体结合在一起，实质上使经结合的组合体与外壳膨胀隔离开来。这样，作用到组合体上的压实力，再加上组合体完全不能相对于四周围的外壳运动，使组合体能抗衡自身的解体。
在本发明的最佳形式中，各极板和隔板横向或竖向堆置装配，再将形成的堆积体适当结合在一起，扣紧压实堆积体。然后不断施加压实力，将处于压实状态的组合体锁定住或用任何其它方法使压实状态永久保持下来。
结合构件可以是一个起压实作用的楔件、单个拉紧构件、笼形壳体或其它适当的构件。例如，笼形构件可以由多个拉紧构件和两个刚硬的端板支撑件构成。端板在组合体中将隔板压实，端板本身则由拉紧件其保持压实状态。这时，由于极板和隔板不再是借助于外壳的壳壁而结合在一起的，因而没有壳壁通常施加的压实力也行。但应该指出的是，极板和隔板组成的组合体仍然可由外壳支撑，并固定或同样安装在外壳上。这样，压实的组合体可以安装到外壳的一个壳壁上，或者用外壳的壳壁作为组合体的端板，而不致使极板因蓄电池外壳膨胀而解体。
本发明的蓄电池充电时产生的气体从蓄电池极板和隔板组成的组合体逸出，但结合构件却牢牢地将极板组合体保持在一起。现在蓄电池外壳在升高压力的作用下可以按需要挠屈自如，而极板组合体仍然保持完整。结合构件有效地防止或大幅度减小升高的气体压力改变极板与隔板的压实状态的可能性，从而大大提高了蓄电池的工作效率，显著延长了蓄电池的使用寿命。这些作用和效果对装有AGM的VRLAB特别有好处。
本发明的压实极板组合体如果其极板在外壳中并排配置，使用起来有好处;但如早先提到过的那样，最好使用极板竖向堆置（极板水平放置）的组合体。采用普通极板的压实极板组合体固然有好处，但最好采用极板是美国专利4，865，933公开的那一种双铅丝编织铅板的极板组合体。实践证明，压实极板组合体与双铅丝编织铅板结合起来可以使蓄电池的质量特别好。特别是当极板水平配置时更是如此。蓄电池的寿命和效率尤其突出。这种技术在重组体或密封式的电池（VRLAB）的情况特别有益。
图1是在12伏密封式铅酸蓄电池中装配极板和隔板时采用蓄电池外壳作为刚硬支撑板的结合构件给合体的部件分解透视示意图。
图2示意示出了通过图1所示的蓄电池极板可行的一个电流通路。
图3是4伏铅酸蓄电池结合构件组合体和极板的部分组合体的部件分解透视示意图。
图4示出了图3的结合构件组合体和极板组合体在蓄电池外壳内的部件分解示意图。
图5是蓄电池外壳围绕着极板组合体部分剖视的片段示意侧视图，该极板组合体采用蓄电池的一个外壳壁作为刚硬支撑构件，还采用压缩弹簧给极板组合体提供持续结合力。
图6是蓄电池外壳围绕着极板组合体部分剖视的片段示意侧视图，该极板组合体采用蓄电池的一个外壳壁作为刚硬支撑构件，还采用拉簧给极板组合体提供持续的结合力。
图7是蓄电池外壳围绕着极板组合体部分剖视的片段示意侧视图，该极板组合体采用蓄电池的一个外壳壁作为第一支撑构件，还采用片簧往第二支撑构件施加压实力，以便给极板组合体提供持续的结合力。
图8是采用本发明的蓄电池285安放电电流的曲线图。
图1是用以压实蓄电池极板组合体值得推荐的一个结合组合体的部件分解透视图。该结合组合体采用蓄电池外壳盖12作为刚硬的支撑板。结合组合体由刚硬支撑板10和12组成，两者由拉紧构件16结合在一起。这种特殊型式的结合组合体在密封式铅酸蓄电池中与具有铅被覆层的玻璃纤维芯线编织成的铅板（grid）配用，工效特别好。美国专利4，865，933中介绍了这种铅板，这里也把该专利包括进去供参考。在充电过程中，在-3磅/平方英寸表压至10磅/平方英寸表压范围的内部气体压力的作用下，各铅板牢牢地结合在一起，不致滑移，因而使蓄电池享有长久的使用寿命。
铅板38由具有铅被覆层的玻璃纤维芯线26编织而成，粘涂氧化铅浆（图中未示出），切成一定的大小，再就地将其制成正极板和负极板。如图1中所示，粘涂后的铅板38用隔板36覆盖。各铅板38的正面和底面最好都用隔板36盖起来，即用隔板36将铅板包起来。各隔板36最好是AGM。两半正负极板24、22中的覆铅玻璃纤维芯线从为隔板26所覆盖的粘涂铅板中伸出。覆铅玻璃纤维芯线26还从双板20经粘涂的铅板部分突出来，以便形成双板20的正负两半23、21之间的串联连接。铅板最好每英寸有4至10根导线在极板之间传送电流。这样做可以使各导线中的电流减小，从而使铅板的腐蚀率降低。
蓄电池极板竖向堆置，其尺寸取得使其正好配合每隔一段间隔配置在下端板12周围的拉紧构件16所界定的周边。可以看到上端板10也配合蓄电池上极板顶面的同一个周边。极板堆放着，和竖立配置相比，有助于极板的活性材料（active    material）在气体产生的过程中保持其结构的完整性。按照本发明将极板堆置还可以使正极板上形成的氧气泡垂直上升到负极板。这进一步使氧在负极板上复合。
本发明通过使各极板在结合组合体内稳定而达到减震的效果。另外，压实的极板不滑移，而是作为一个整体在蓄电池外壳32内移动。极板堆置起来还可以减小电解质的沉积作用。
图2示出了电流能过图1各电池只排列成两层的12伏铅酸蓄电池的可能途径。电连接是从蓄电池正端（图中未示出）通过任何母线连接装置连接到正半板24的端部导线26进行的。电流从正半板24（通过离子传递）向下经过成对的毗邻隔板36中的电解液流入双板20负侧21的覆铅玻璃纤维芯线中。从双板20的负侧21，电流横向通过铅板覆铅的连接导线26流到双板20的正侧23。从双板20的正侧23，电流顺着图中所示的蜿蜒途径通过蓄电池流到负半板22。从负半板22，电流通过端部导线26和任何母线连接装置（图中未示出）流到蓄电池负端（图中未示出）。
参看图1和图2可以最清楚地说明电荷的“形成”过程。为了形成蓄电池极板电荷沿着与上述正好相反的途径行进。形成中的电荷加到全部装配好的蓄电池上，就地形成。形成中的电荷借助于蓄电池端子28和30连接到蓄电池的端部导线26。电荷是沿着蜿蜒的途径流过蓄电池铅板的。这时正极板形成二氧化铅（PbO2）电极，负极板形成负的海绵状铅（Pb）电极。
在装配过程中，蓄电池极板堆放在支撑板12上。支撑板12用作蓄电池外壳32的顶部（图中的蓄电池是倒过来示出的）。刚硬支撑板10和12中的缺口14是拉紧构件16的连接点。拉紧构件16两端都具有掣子18，这是作锁定机构用的。各极板压实之后将拉紧构件16锁定到刚硬的支撑板10和12就可以使蓄电池极板保持压实状态。擎子18最好在各极板装配好压实之后都通过热焊接永久锁定就位。
参阅图3所示的4伏铅酸蓄电池也许能说明蓄电池极板组合体的压实过程。图3示出了结合组合体的另一个实施例，这是不采用刚硬的支撑板作为蓄电池外壳顶面的一个实施例。此外，图3中所示的结合组合体不采用掣子18而采用锁定销42。蓄电池极板堆放在支撑板10上拉紧构件16所界定的周边内。拉紧构件16装入支撑板10和11相应的孔或通道40内。支撑板11安置在蓄电池极板堆的顶面上。
极板组合体所要求的压实量主要取决于极板组合体中隔板的特性和累积厚度。因此，我们发现，AGM制成的隔板不仅其弹性足以应付压实过程，而且还是蓄电池酸电解液的优异储存所。这种垫料可从Hollingsworth    &    Vose公司、Lydall公司和Wattman公司买到。AGM在规定的压实范围内是能最大限度地吸收电解液的。正是这个压实范围使各毗邻蓄电池极板的间距不能象不致虑这一点时那样尽可能小。
AGM的压实程度取决于以下两个有关影响因素。第一个影响因素是电解液的吸收情况。最好能达到最大的吸收量。第二个影响因素是蓄电池极板的间距。各毗邻的蓄电池极板彼此最好尽量靠近。因此，AGM是按设计厚度选取的和达到所要求的电解液吸收量的压实程序，同时切合实际地使极性相反的蓄电池极板尽量靠近。
通常，大多数AGM设计中的压实范围大约在总自由玻璃厚度的10%与50%之间（通常最好在大约20～30%）。例如，含有10个厚度各为0.04英寸的AGM隔板的极板堆，其总自由玻璃厚度约为0.4英寸。因此，压实25%时，总自由玻璃厚度可能会减少0.1英寸。压实的程度是隔板弹性的函数。通常，如上面谈过的那样，AGM其体积压实大约20～30%时，对蓄电池的酸电解液具有最佳的吸收能力。
起码可以用两种不同的方法设计同在大批生产中能体现出对极板组合体的压实质量具有重复性的压实装置。第一种方法是在拉紧构件16或压实装置上设置压实止动件。因此例如在图3所示的实施例中，极板组合体的压实程序取决于匹配孔44和46分别在拉紧构件16和支撑板10和11上的相对位置。将销子42插入配套的配合孔，结合组合体就能进行达规定厚度的压实，亦即可以把具有已知高度的蓄电池极板20、22和24和隔板36压实到匹配孔和销子42所设定的较低的规定高度。压实止动件指定了压实极板组合体的具体高度，而压实装置将极板组合体固定在规定的高度，同时结合构件被锁定，使极板组合体保持在压实状态。结合构件一经固定，压实力就得以释放，于是组合体就保持在规定的高度。
第二种值得推荐的方法是使压实程度达到总自由玻璃厚度的某固定百分率。这种方法不需要压实止动件。AGM堆是事先经过测试，求出压实到所要求的总自由玻璃厚度所需要的压实力。然后可以用诸如重锤或水压机之类适当的压实装置来提供这一量值的压实力。用这个太实力固定极板堆，最好用热焊的拉紧构件16将结合组合体锁定到端板10和12上。在拉紧构件固定好的情况下，解除压实力，于是组合体就保持在规定的总自由玻璃厚度。
一个或多个结合组合体锁定之后，蓄电池外壳32就可以套到组合体上，并用任何方法（最好通过热焊）密封起来。图4示出了图3的结合组合件和极板组合件在蓄电池外壳内的部件分解透视图。
图4示出了另一个热连接方案。母线29连接到正汇流板31和负汇流板33上。汇流板31和33分别连接到正端子28和负端子30上。端子28和30分别伸出蓄电池外壳顶部的孔35和37。O形环39在孔35和37周围形成密封，端子都用螺母41固定。
如此形成密封蓄电池之后，可在真空或环境大气压下将蓄电池外壳32充以硫酸和水电解液。电解液加入之后，可以将使蓄电池极板形成正负极板的电荷接到蓄电池各端子上就地形成蓄电池极板，并将安全阀43固定到蓄电池外壳中。蓄电池外壳、拉紧构件和端极以及各销子都可以由聚丙烯、增强塑料、纤维增强塑料或其它适当的材料制成。本领域的技术人员都知道，蓄电池极板可以在装配之前形成。
图5示出了本发明采用压缩弹簧50在极板组合体上提供持续力的另一个实施例。压缩弹簧50可与具有弹簧座52的一个以上拉紧构件16配用。
在结合组合体中加一个弹簧有这样的好处，即有助于补偿极板或隔板在蓄电池整个使用期期间可能发生的下沉。弹簧还可以补偿极板和隔板厚度的不均匀度。弹簧产生的压实力形成了相当于能消除极板和隔板下沉并失去它们起初装配时加到它们上面的压实力时产生的松弛的结构。其效果是缩小极板之间的间距且使这些间距更均匀，同时减小电池在其整个使用寿命期间内部的电压降。
这种结构中可以使用若干类型的弹簧。图6示出了利用拉簧56压实极板组合体的结合组合体。从图中可以看出。拉簧56可以代替一个以上拉紧构件16。图7示出了片簧54往刚硬的支撑板10施加压实力的情况。片簧54可以应用在带或不带拉紧构件16的极板组合体的任一端上，且适宜用其作为蓄电池外壳32的壁或盖。在装配之前可以在片簧周围用塑性材料模塑出支撑板10（片簧在塑料支撑板10内），并给支撑板10施加预应力，从而使支撑板10在加上适当的压实力时变平。
在所有采用弹簧的实施例中，弹簧可以是金属、不锈钢、塑料、橡胶、纤维、弹性体或任何适当的材料。金属或纤维制成的弹簧周围可以注塑塑料。
图8是采用本发明的蓄电池285安放电电流的曲线图。曲线说明了采用本发明的蓄电池在750次以上两小时C/2放电[（8070DOD（放电深度）]之后维持在其原来峰值功率（瓦/公斤）的90%左右。
虽然这里就本发明方法和设备的一些实施例作了特别详细的说明，但不言而喻本发明并不局限于上述最佳实施例的细节。在不脱离本发明的精神实质和范围的前提下是可以对上述实施例在设计、结构和尺寸方面进行种种修改的。

Claims (25)

1、一种阀调节式的密封铅酸蓄电池：其特征在于包括：
一个蓄电池外壳；
一个极板组合体，由交替配置的正负极板组成，各毗邻的所述极板之间有可压实的隔板；和
一个闩锁组合体，适宜保持极板组合体连同各隔板一起处于压实状态，极板组合体与蓄电池外壳隔离成足以抗衡极板组合体在蓄电池外壳膨胀时解体。
2、如权利要求1所述的蓄电池，其特征在于，隔板由玻璃纤维垫板制成。
3、如权利要求2所述的蓄电池，其特征在于，闩锁组合体还包括在极板组合体各端的分立端板。
4、如权利要求3所述的蓄电池，其特征在于，其中一个端板包括所述外壳的一端。
5、如权利要求3所述的蓄电池，其特征在于，闩锁组合体还包括至少一个在拉紧力的作用下将各端板互连起来的拉紧构件。
6、如权利要求3所述的蓄电池，其特征在于，闩锁组合体还包括至少一个适宜驱动其中一个极板使其驱向另一极板的可弹性压实的构件。
7、如权利要求4所述的蓄电池，其特征在于，闩锁组合物体还包括至少一个适宜驱动其中一个极板使其驱向另一极板的可弹性压实的构件。
8、如权利要求6所述的蓄电池，其特征在于，所述可压实构件包括压缩弹簧。
9、如权利要求7所述的蓄电池，其特征在于，所述可压实构件包括压缩弹簧。
10、如权利要求3所述的蓄电池，其特征在于，其中一个端板包括一个可压缩的片簧。
11、如权利要求4所述的蓄电池，其特征在于，其中一个端板包括一个可压缩的片簧。
12、如权利要求3所述的设备，其特征在于，至少一个结合构件包括一个弹簧，受拉时将支撑板拉到一起。
13、如权利要求4所述的设备，其特征在于，至少一个结合构件包括一个弹簧，受拉时将支撑板拉到一起。
14、一种阀调节式密封铅酸蓄电池，其特征在于包括：
一个蓄电池外壳，
一个压实的极板堆，由多个正极板、负极板和隔板组成，隔板可压实，能吸收蓄电池酸液，支撑在蓄电池内，与蓄电池外壳隔离成足以抗衡外壳膨胀时极板堆解体。
15、如权利要求14所述的蓄电池，其特征在于，隔板包括玻璃纤维垫板。
16、如权利要求14所述的蓄电池，其特征在于，所述极板堆由外壳的一端支撑着。
17、如权利要求14所述的蓄电池，其特征在于，它还包括至少一个适宜将极板堆压实的可弹性压缩或拉紧的构件。
18、如权利要求16所述的蓄电池，其特征在于，它还包括至少一个适宜将极板堆压实的可弹性压缩或拉紧的构件。
19、一种把内部立体压力对密封铅酸蓄电池容器的作用与机械压实极板堆的需要分开的方法，包括：
将正负极板一正一负交替地装配成极板堆，各对毗邻极板之间由一个渗透性隔板材料将极板分离开;
将极板组合体安置到刚硬的支架上;
将第二个刚硬支架安置到所述极板组合体上;
将所述极板组合体在所述刚硬支架之间压实;
固定刚硬支架锁定处于压实状态的极极组合体;
解除初始的压实力，从而使锁定的组合体在固定的刚硬支架之间处于压实状态;然后
将锁定压实的所述极板组合体密封在蓄电池外壳中。
20、如权利要求19所述的方法，其特征在于，将极板和刚硬支架组成的组合体压实到规定的固定高度。
21、如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述极板组合体和刚硬支架用规定的压实力压实。
22、一种通过将压实载荷从外壳转移到某一结构上利用密封铅酸蓄电池的轻质薄壁外壳的方法，其特征在于，该方法包括权利要求19所述的各步骤。
23、一种在蓄电池的整个使用期间和充放电过程中保持由蓄电池极板和隔板组成的极板堆在蓄电池外壳内处于恒定的压实状态的方法，其特征在于包括以下步骤：
将正负极板一正一负交替地装配成极板堆，在每对毗邻极板之间加入渗透性隔板材料将刚硬支架上的各对毗邻极板分隔开来;
往处在装配好的极板堆顶部的第二刚硬支架上施加一个力将极板堆压实;
用至少一个弹性构件锁定该压实的极板堆，从而将其中一个支架驱向另一个支架;
解除作用到已锁定的所述极板堆上的力，从而使该极板堆在固定好的刚硬支架之间保持压实状态;然后
将所述极板组合体密封在蓄电池外壳中。
24、一种使密封铅酸蓄电池中的极板与隔板保持紧密接触的方法，其特征在于，它包括权利要求23所述的各步骤。
25、一种通过保持各极板和隔板处于一致压实状态来延长蓄电池使用寿命同时在蓄电池在其整个使用寿命期间保持其原来的高速放电能力的方法，其特征在于，该方法包括权利要求23所述的各步骤。
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