CN109921027A

CN109921027A - 一种双极板

Info

Publication number: CN109921027A
Application number: CN201910193973.4A
Authority: CN
Inventors: 何幸华
Original assignee: Zhaoqing Zhongteneng Technology Investment Co ltd
Current assignee: Zhaoqing Zhongteneng Technology Investment Co ltd
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-06-21

Abstract

本发明提供了一种双极板，该双极板包括栅网，该栅网的第一部分区域涂覆有正极膏体以形成正极区域，该栅网的第二部分区域涂覆有负极膏体以形成负极区域，该正极区域与该负极区域之间还间隔有由该栅网的第三部分区域形成的留空区域；此外，该正极区域与该负极区域各自对应膏体的上表面和下表面还均覆盖有隔膜纸；采用本发明的双极板制成的铅酸蓄电池具有较优的充放电性能和较长的工作寿命。

Description

一种双极板

技术领域

本发明电化学电池的技术领域，特别涉及一种双极板。

背景技术

电化学电池，特别是铅酸蓄电池，广泛应用于汽车等不同领域，其能够储存能量并将该能量以电能的形式输送给目标对象。铅酸蓄电池主要是在铅酸电极与稀硫酸等电解质之间发生电化学反应，从而产生传输电流。当稀硫酸等电解质灌入电池后，由于稀硫酸与铅酸电极中的氧化铅这类活性材料发生放热反应，电池内部的温度会急剧上升，而电池内部的高温环境会加快硫酸盐等反应物在电池极板上形成，反过来会降低电池内部稀硫酸的浓度。可见，电池内部灌入稀硫酸后形成的高温环境会影响电池的性能，具体为该高温环境使得极板表面会沉积较厚的硫酸盐层，从而以使稀硫酸向极板内部的迁移效率，这会导致极板内部为较低的酸浓度环境，该较低的酸浓度环境会加快极板栅网中的铅溶解过程；此外，在对电池内部灌入稀硫酸后，不同电池单元之间会存在较大的温度差异，该较大的温度差异会严重影响极板中活性材料的化成，而且极板表面上沉积的硫酸盐也会进一步提高电解液的温度并阻碍极板中活性材料的化成，这最终会使得不同电池单元之间在活性材料化成上表现出显著的不均匀性。还有，铅酸蓄电池通常都是在密封状态下工作的，电池内部的密封状态和高温环境会使得稀硫酸穿透极板表面的隔膜并引起树枝状短路情况的发生，从而导致电池工作实效。可见，铅酸蓄电池在灌入稀硫酸后再电池内部产生的高温环境会严重影响铅酸蓄电池的正常工作。

目前，铅酸蓄电池使用的双极板都是以铅基板为基础结构，并在该铅基板的一个表面上涂覆正极膏体以及在另一相反表面上涂覆负极膏体，上述结构的双极板并不能抵抗电池内部的高温环境所带来的影响，并且上述结构的双极板还存在铅基板容易被腐蚀导致电池内部短路、电极活性材料与铅基板的平坦表面之间的粘附性差等一系列问题。因此，现有技术中的双极板结构并不能有效地提高铅酸电池工作效率和工作稳定性。

发明内容

在铅酸蓄电池中，现有的双极板结构并不能很好地适应电池内部灌入稀硫酸后形成的高温环境，使得该双极板在电化学反应过程中极易被稀硫酸腐蚀，并且电极膏体与双极板之间的粘附性较差，这导致在电化学反应过程中电极膏体中活性材料容易发生脱落，同时现有的双极板结构具有较大的内阻以及该双极板结构中不同区域的电极膏体活性材料化成程度并不均匀，这都严重地制约铅酸蓄电池的充放电性能和降低其工作寿命。

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种双极板，该双极板同样是在同一电极基板上同时设置电池正极和电池负极，但是该电池正极和电池负极并不是分别设置在电极基板相对的两个表面上，而是分别设置在电极基板相互分隔的两个不同区域中，并且该两个不同区域都覆盖该电极基板上下两个表面，即该电池正极和电池负极同时存在于该电池基板的上下两个表面；此外，本发明的双极板中电池基板具有栅网结构，该栅网结构增大了电池基板与电池正极或电池负极对应膏体之间的接触面积，以避免该膏体中活性材料发生脱落现象。从而有效地改善铅酸蓄电池的充放电性能和延长铅酸蓄电池的工作寿命。

本发明提供一种双极板，所述双极板包括栅网，其特征在于：所述栅网的第一部分区域涂覆有正极膏体以形成正极区域，所述栅网的第二部分区域涂覆有负极膏体以形成负极区域，所述正极区域与所述负极区域之间还间隔有由所述栅网的第三部分区域形成的留空区域；

进一步，所述正极区域与所述负极区域各自对应膏体的上表面和下表面均覆盖有隔膜纸；

进一步，所述隔膜纸为非导电材料；

进一步，所述栅网具有交错的丝网结构，所述第一部分区域和所述第二部分区域各自所覆盖的丝网结构均具有第一覆盖面积，所述留空区域所覆盖的丝网结构具有第二覆盖面积，所述第一覆盖面积大于所述第二覆盖面积；

进一步，所述栅网具有交错的丝网结构，所述第一部分区域和所述第二部分区域对应的丝网结构具有第一丝网尺寸，所述留空区域对应的丝网结构具有第二丝网尺寸，所述第一丝网尺寸大于所述第二丝网尺寸；

进一步，所述第一部分区域或所述第二部分区域分别位于所述栅网中相对的两个不同侧区域，所述留空区域位于所述两个不同侧区域之间并完全隔断所述第一部分区域和所述第二部分区域；

进一步，所述栅网的材质为金属铅、铅基合金、碳纤维和碳纤维复合金属材料中的任意一种；

进一步，所述正极膏体和所述负极膏体都是由氧化铅、硫酸铅、硫酸、若干种添加剂和水按照预定比例混合得到的活性材料而形成；

进一步，所述正极膏体或者所述负极膏体对应活性材料中硫酸铅的含量为20％-40％；

进一步，所述正极膏体和所述负极膏体对应的活性材料中基本不含有游离态硫酸。

相比于现有技术，本发明的双极板是将正极膏体和负极膏体分别设置在两个相互隔离的不同区域中，并且该两个不同区域并不是分别位于双极板相对的两个表面上，而是同时覆盖该双极板的上下两个表面；此外，该双极板采用栅网结构作为极板的基础结构，该栅网结构具有多种不同的网格分布形状，不同网格分布形状能够相应地提高正极膏体和负极膏体与栅网结构之间的粘附稳固性、以及有效地降低双极板自身的内阻，从而使得具有该双极板的铅酸蓄电池具有良好的充放电性能和较长的工作寿命，以进一步提高铅酸蓄电池的整体工作性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种双极板的截面结构示意图。

图2为本发明提供的一种双极板的俯视结构示意图。

图3为本发明提供的一种双极板中栅网的结构示意图。

附图中的数字标记分别是：1：正极膏体、2：负极膏体、3：隔膜纸、4：栅网、5：第一部分区域、6：第二部分区域、7：第三部分区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，为本发明实施例提供的一种双极板的截面结构示意图。该双极板包括正极膏体1、负极膏体2、隔膜纸3和栅网4；其中，该栅网4构成该双极板的基础结构，该正极膏体1涂覆在该栅网1的第一部分区域5，该负极膏体2涂覆在该栅网4的第二部分区域6，并且该第一部分区域5与该第二部分区域6之间该间隔有一第三部分区域7，该第三部分区域7能够将该第一部分区域5和第二部分区域6完全隔断，从而使得该第一部分区域5上的正极膏体1不能与该第二部分区域6上的负极膏体2直接接触，以避免双极板内部发生短路情况。优选地，该第一部分区域5、第二部分区域6和第三部分区域7分别属于该栅网4的不同栅网结构区域；优选地，该第三部分区域7可位于该第一部分区域5和该第二部分区域6之间，以实现完全隔断该第一部分区域5和第二部分区域6。

该正极膏体1和该负极膏体2分别位于在该第一部分区域5和该第二部分区域6各自对应的栅网结构中。优选地，该正极膏体1和该负极膏体2粘附于该第一部分区域5和该第二部分区域6各自对应的栅网结构内部；优选地，该正极膏体1和该负极膏体2还覆盖于该第一部分区域5和该第二部分区域6各自对应的栅网结构的上表面和下表面；该隔膜纸3覆盖于该正极膏体1和负极膏体2的表面上能够避免该正极膏体1和负极膏体2在双极板的生产过程中受到损伤，同时该隔膜纸3还能够吸附该稀硫酸电解液；优选地，该正极膏体1和该负极膏体2具有相同的厚度D1，且该厚度D1大于该栅网在截面方向上的厚度D2，这样才能保证该正极膏体1和该负极膏体2在附着于该栅网结构的同时，完全覆盖该第一部分区域5和该第二部分区域6对应栅网的上表面和下表面；优选地，该厚度D1和该厚度D2满足如下关系1.1*D2≤D1≤3*D2，通过对比实验，当该D1<1.1*D2时，该正极膏体或者该负极膏体均不能均匀平滑地全面覆盖对应栅网的上表面和下表面并且容易使得该栅网被稀硫酸电解液腐蚀，当D1>3*D2时，该正极膏体和该负极膏体的厚度会过厚而导致稀硫酸电解液无法与内部膏体进行电化学反应，从而降低该正极膏体和该负极膏体自身不同区域的化成均匀性。

该正极膏体和该负极膏体均包括活性材料，该活性材料能够与该稀硫酸等电解液发生电化学反应，从而产生相应的电池电流和电压。优选地，该活性材料是由氧化铅、硫酸铅、硫酸、若干种添加剂和水按照预定比例混合以及经过特定工艺制成的；可选地，在该活性材料对应的初始混合物中，氧化铅所占的重量比可为50％-85％，硫酸铅所占的重量比可为1％-15％，硫酸所占的重量比可为3％-8％，若干种添加剂所占的重量比可为2％-5％，水所占的重量比可为10％-30％。优选地，在该初始混合物经过该特定工艺得到的最终活性材料中，该硫酸铅所占的重量比将上升至20％-40％；优选地，在该最终活性材料中，基本不存在任何游离态硫酸。通过对照实验可发现，当该硫酸铅在活性材料中对应的初始混合物所占的重量比大于15％时，对应的最终活性材料中游离态硫酸的含量将显著地上升，而当该硫酸铅在活性材料对应的初始混合物所占的重量比为1％-15％时，对应的活性材料中游离态硫酸的含量将可忽略不计，由于该最终活性材料中，游离态硫酸的含量高低会直接影响正极膏体或者负极膏体与稀硫酸等电解液之间的电化学反应效率，简而言之，该最终活性材料中游离态硫酸的含量越低，该正极膏体或者负极膏体与电解液之间的电化学反应效率越高，相反地，该最终活性材料中游离态硫酸的含量越高，该正极膏体或者负极膏体与电解液之间的电化学反应效率越低。可见，本发明实施例中，活性材料对应的初始混合物与最终活性材料中关于硫酸铅所占重量比的设置能够有效地提高电极膏体与电解液之间的电化学反应效率，从而改善铅酸蓄电池的充放电性能。

优选地，在正极膏体和负极膏体是需要按照特定比例将不同材料进行混合得到的混合物，而要想确定该不同材料的混合比例想，需要根据双极板在充电和放电时其正极与负极产生的化学反应对应的方程式决定，其中，在该化学反应中会存在如下反应过程：

正极：阳极

负极：阴极

总反应：

在上述化学反应中，PbO₂为氧化铅，H₂SO₄为硫酸，Pb为铅，PbSO₄为硫酸铅，H₂O为水，根据上述方程式以及所有元素的摩尔重量，可得出在理想状态下，该混合物中不同材料的质量比例为：

PbO₂：2H₂SO₄：Pb＝239：96：207

但是在反应时，由于Pb在反应过程中会生成沉淀态的PbSO₄，PbSO₄会包裹在Pb的外表面，使得Pb不能获得充分的反应，所以在实际的混合物中，Pb的含量必须远远大于理想状态下所需要的反应量，并且随着反应的进行，Pb的利用率y可为

在上述公式中，y为Pb的反应利用率，V为混合物的体积，t为反应时间；根据上述公式可计算出，在反应过程中所需的Pb的瞬时量为在反应过程中所需的Pb的总质量m为

在上述公式中，t₀为反应的总时长，m为反应过程中所需的Pb的总质量，最终可计算出该混合物中不同材料的质量比例为：

PbO₂：2H₂SO₄：Pb＝239×t₀：96×t₀：m

可见，通过上述计算得到的混合物中不同材料的混合质量比例，按照该混合质量比例形成的混合物不仅能够满足是反应完全进行的要求以达到预期的反应效率，从而在双极板充电和放电过程中产生充足的电量，并且还能够避免在反应过程中由于沉淀态反应物产生而影响反应效率，并且最终使得混合物不会因为将不同材料随意混合而导致某种材料浪费的情况发生。

此外，同时参阅图1和2，该隔膜纸是均覆盖在该正极区域和该负极区域中对应正极膏体和负极膏体的上表面和下表面，该隔膜纸能够包覆该正极膏体和该负极膏体各自的上表面和下表面，从而防止该正极膏体和该负极膏体完全暴露于稀硫酸等电解液环境中。由于该铅酸蓄电池在工作过程中，双极板是需要完全浸没在稀硫酸等电解液中，随之该电解液会与该正极膏体和负极膏体发生电化学反应，若该正极膏体和该负极膏体完全暴露于电解液环境中，随着该电化学反应的发生，该正极膏体和该负极膏体会发生结构上的松脱，并有可能从该栅网上脱落，这会极大的影响该电化学反应的效率。若该正极膏体或者负极膏体从栅网上脱落，则会导致栅网结构暴露于稀硫酸等电解液环境中，而稀硫酸等电解液对栅网具有较强的腐蚀性，随着电化学反应时间的推移，该栅网结构会很容易地被稀硫酸等电解液腐蚀，并最终导致双极板工作实效。因此，在该正极膏体和负极膏体的上表面和下表面均覆盖隔膜纸，能够有效地维持正极膏体和负极膏体自身固化结构的完整性，从而避免该正极膏体和负极膏体的固化结构被破坏和发生松脱现象，这都能够有效地延长双极板在稀硫酸等电解液环境中的工作寿命。优选地，该隔膜纸可采用非导电材料，这样能够避免该双极板内部发生短路现象，从而维持双极板的正常工作状态。优选地，该隔膜纸的厚度可为0.1mm-2mm，该隔膜纸的厚度设置能够在保证隔膜纸具有良好机械强度的同时，还能够有效地提高隔膜纸对膏体的覆盖保护性；此外，该隔膜纸能够实现对稀硫酸电解液的吸附，以提高该双极板形成的电池产品中的硫酸固有量，从而延长电池的使用寿命。

参阅图3，为本发明实施例提供的一种双极板中栅网的结构示意图。优选地，该栅网可具有交错设置的丝网结构，该丝网结构与现有技术的平面状基板结构相比，该丝网结构与电极膏体之间的接触面积明显大于该平面状基板结构与电极膏体之间的接触面积，而接触面积的显著增大会使得在相同尺寸的情况下，该丝网结构与该电极膏体之间的粘附性也会明显优于该平面状基板结构与该电极膏体之间的粘附性。此外，当正极膏体或者负极膏体涂覆在该栅网的丝网结构上时，该正极膏体或者负极膏体会渗透进入该丝网结构内部自身的空隙上，并且经过后续制作工艺的处理后，该正极膏体和负极膏体都会稳固地附着于该丝网结构上。

相应地，该栅网可包括第一部分区域、第二部分区域和第三部分区域；优选地，该第三部分区域可位于该第一部分区域和该第二部分区域之间；优选地，该第三部分区域可完全隔断该第一部分区域和该第二部分区域。其中，该第一部分区域或者第二部分区域对应的丝网结构上可分别涂覆正极膏体或者负极膏体，该第三部分区域对应的丝网结构则不涂覆任何膏体而成为一留空区域。优选地，该第一部分区域和该第二部分区域各自所覆盖的丝网结构均具有第一覆盖面积S1，该第三部分区域所覆盖的丝网结构具有第二覆盖面积S2，其中S1>S2。经过实验可发现，该第一覆盖面积S1的大小会影响该第一部分区域第二部分区域上对应正极膏体或者负极膏体与电解液之间的反应效率，但是并非该第一覆盖面积S1越大，该反应效率就越高，优选地，当该第一覆盖面积S1与该栅网整体面积S满足40％*S≤S1≤95％*S时，该反应效率能够实现最优化。

相应地，该第一部分区域和该第二部分区域对应的丝网结构可具有第一丝网尺寸P1，该第三部分区域对应的丝网结构可具有第二丝网尺寸P2，该第一丝网尺寸P1和第二丝网尺寸P2是用于表征对应丝网结构的疏密程度。其中，该第一丝网尺寸P1优选大于该第二丝网尺寸P2；优选地，在该第一部分区域和第二部分区域中，对应的丝网网孔大小可为2-5mm*3-8mm，，在该第三部分区域中，对应的丝网网孔大小可为2-5mm*8-15mm；优选地，该第一部分区域和该第二部分区域对应的第一丝网尺寸P1是相同的，该第一部分区域和该第二部分区域中对应的网孔大小是恒定的，该第三部分区域中对应的网孔大小取决于该双极板中正极和负极之间的间距距离，其与双极板的具体产品设计要求有关。

除此之外，该丝网结构还可具有不同形状，而不同形状的丝网结构会直接影响对应的双极板自身的内部电阻情况；优选地，该丝网结构可具有由经线和纬线交错形成的结构；优选地，该经线和纬线相互交错形成规则或者不规则的网状结构，其中，该规则的丝网结构具有均匀分布的矩形或者方形丝网开口，该不规则的丝网结构具有形状或者尺寸分布不一致的丝网开口，如不规则的多边形丝网开口。经过研究发现，具有不规则形状的丝网结构相比于具有规则形状的丝网结构具有更低的内部电阻值，这有利于整体降低双极板自身的内阻值，而双极板自身的内阻值越低，其对应的铅酸蓄电池则具有更优的充放电性能并且该电化学反应的电能转换效率也更高；具体而言，在栅网具有相同面积尺寸的前提下，具有不规则丝网结构的栅网相比于具有规则丝网结构的栅网，其内部电阻值能够有效地降低30％-40％，这对于提高双极板的电学性能有显著的作用。

更进一步，为了使电极膏体能够牢固地附着于栅网上，除了降低该第一区域部分与第二区域部分对应的丝网结构尺寸外，还可以在该丝网结构上设置若干随机分布的倒刺结构。该倒刺结构可分布于该栅网中相互交错的经线和纬线上。该倒刺结构的存在能够增大该栅网表面的粗糙度和表面面积，这使得当电极膏体能够涂覆于栅网表面上时，该电极膏体能够最大限度地与丝网结构进行粘附结合，最终改善电极膏体与丝网结构之间的粘附性。优选地，该栅网的材质可为金属铅、铅基合金、碳纤维和碳纤维复合金属材料中的任意一种；该栅网可采用纺织、铸造、冲压、锻造、冲孔、拉网或者轧制的工艺制造形成。

另外，该双极板可被看做是电容与电阻共同组成的RC并联电路，根据电容的充电原理可知：

在上述公式中，U_c(T)为电容充电时间T后其两端的电压，U₀为电容未进行充电前的初始电压，R为RC并联电路中对应的电阻值，I为充电电流值，e为自然底数，C为RC并联电路中对应的电容值，并且该电容值C满足

在上述公式中，k为一单位换算系数，ε为电介质数，s为电容极板的正对面积，d为电容极板之间的距离。

为了提高双极板的充电性能和工作寿命，在双极板的充电过程中实时变换双极板之间的距离，使其最终实现在电压较低的情况下也可进行快速充电，并在双极板即将充满电时降低其充电速率，以保证其充电性能的充分利用和延长其工作寿命，但是还要确保其充电速率不宜过低和充电时间不宜过长，通过综合分析可得出双极板之间的距离与在经过充电时间T后双极板两端的电压U_c(T)存在如下关系式：

在上述关系式中，H为一单位调整数并且通过改变该单位调整数能够改变双极板的充电速率，d₀为双极板之间的初始距离。并且，通过改进后可得到双极板两端的电压U_c(T)的计算公式：

从上述计算公式可知，当双极板两端的电压U_c(T)增加时会使得双极板之间的距离d减小，从而导致RC并联电路中的电容值C增大，反过来又进一步抑制双极板两端的电压U_c(T)的增加，从而实现了对双极板在电压较低时可快速充电，以及在即将充满电时降低其充电速率的目的。

从上述实施例可以看出，该双极板是将正极区域和负极区域分别设置在栅网中相互分隔的两个不同区域中，并且该正极区域和负极区域沟覆盖在该栅网的上表面和下表面，并且该双极板的栅网可具有不同形状和尺寸的丝网结构，这不仅有利于提高正极区域和负极区域对应活性材料与栅网之间的粘附性，还能够有效地降低双极板自身的内阻，可见本发明的双极板能够有效地改善铅酸蓄电池的充放电性能和延长铅酸蓄电池的工作寿命。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种双极板，所述双极板包括栅网，其特征在于：所述栅网的第一部分区域涂覆有正极膏体以形成正极区域，所述栅网的第二部分区域涂覆有负极膏体以形成负极区域，所述正极区域与所述负极区域之间还间隔有由所述栅网的第三部分区域形成的留空区域。

2.如权利要求1所述的双极板，其特征在于：所述正极区域与所述负极区域各自对应膏体的上表面和下表面均覆盖有隔膜纸。

3.如权利要求2所述的双极板，其特征在于：所述隔膜纸为非导电材料。

4.如权利要求1所述的双极板，其特征在于：所述栅网具有交错的丝网结构，所述第一部分区域和所述第二部分区域各自所覆盖的丝网结构均具有第一覆盖面积，所述留空区域所覆盖的丝网结构具有第二覆盖面积，所述第一覆盖面积大于所述第二覆盖面积。

5.如权利要求1所述的双极板，其特征在于：所述栅网具有交错的丝网结构，所述第一部分区域和所述第二部分区域对应的丝网结构具有第一丝网尺寸，所述留空区域对应的丝网结构具有第二丝网尺寸，所述第一丝网尺寸大于所述第二丝网尺寸。

6.如权利要求1所述的双极板，其特征在于：所述第一部分区域或所述第二部分区域分别位于所述栅网中相对的两个不同侧区域，所述留空区域位于所述两个不同侧区域之间并完全隔断所述第一部分区域和所述第二部分区域。

7.如权利要求1所述的双极板，其特征在于：所述栅网的材质为金属铅、铅基合金、碳纤维和碳纤维复合金属材料中的任意一种。

8.如权利要求1所述的双极板，其特征在于：所述正极膏体和所述负极膏体都是由氧化铅、硫酸铅、硫酸、若干种添加剂和水按照预定比例混合得到的活性材料而形成。

9.如权利要求7所述的双极板，其特征在于：所述正极膏体或者所述负极膏体对应活性材料中硫酸铅的含量为20％-40％。

10.如权利要求1所述的双极板，其特征在于：所述正极膏体和所述负极膏体对应的活性材料中基本不含有游离态硫酸。