CN112018455A - 一种具有填充物的水平铅酸电池及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有填充物的水平铅酸电池及其组装方法，包括电池外壳，以及由正、负极板和隔膜组成的电池极群，其特征在于，所述正、负极板周围设置有常温下以液态形式注入、固化处理后转化为固态的填充物。这种填充物可以填满所有极板间隙，紧密包裹极板，限制了极板膨胀，只能向极板平面垂直方向膨胀，避免了正负极板短路，且水平电池的极高装配压力，限制了活性物膨胀，保证了活性物质的完整，使得水平铅酸电池的寿命大大提高。

Description

一种具有填充物的水平铅酸电池及其组装方法

【技术领域】

本发明涉及一种蓄电池，尤其涉及一种避免正、负极板短路的具有填充物的水平铅酸电池及其组装方法。

【背景技术】

铅酸电池始于1859年Gaston Plante关于Pb电极在10wt％的硫酸溶液中充放电的研究。1881年，Camille Faure将红铅、硫酸和水混合而成的铅膏涂布于铅板作为电极，Ernest Volckmar将铅板变更为铅板栅。这两项技术缓解了铅酸电池正负极铅膏软化脱落，有效地提高了铅酸电池的容量。铅酸电池结构由此基本成型并走向成熟。经过150余年的研究和改进，铅酸电池在极板、添加剂、隔板材料以及制造工艺等方向都得到了革新。目前，铅酸电池产量和储电量仍然雄踞化学电源之首，正在为人类社会的发展和进步做出巨大的贡献。因其具有稳定可靠、无记忆效应、价格低廉、可做成单体大容量电池等优点，铅酸电池已被广泛用作汽车启动电源、不间断电源、从电动自行车到柴油潜艇的动力电源和储能电源等等。

传统铅酸电池的基本结构是由涂有铅膏的板栅形成正负极板，正负极板之间用隔膜分隔，正负极板焊接到相应的汇流排后通过极柱将电池电流与外部连接，电池盖将电池密封，防止电解液流出。传统铅酸电池的极板采用垂直的方式放置，使用过程中会出现电解液层化现象，即电解液浓度差的极化现象，这是电池容量下降及寿命缩短的主要原因之一。

为了解决以上问题，人们开发出了一种水平铅酸电池：极板为准双极结构，即在板栅的一边涂覆正极活性物为正极板，另一边涂覆负极活性物为负极板；双极板间用隔膜隔开，按照一定的位置水平交错叠放，然后安装压力框架固定，形成电池模块装入电池槽中，经铸焊后进行密封，然后经过灌酸、化成，最终制成水平电池。这种水平铅酸电池虽然解决了电解质层化现象，且内阻小、轻量化，单元格之间的串联由连接双极板的铅丝直接实现，无需焊接(传统单元格串联，先将上一单元的焊接成一体的正极引出端与下一单元的焊接成一体的负极引出端再通过焊接的方式成为一体，实现相邻单元格的串联)。

但是，对于铅酸电池来说，在发生电化学反应的过程中，正、负极活性物质会发生不同程度的体积膨胀，刺穿隔膜，与正极活性物接触短路，或者通过极板边缘缝隙使正、负极板相互接触而造成短路，导致电池失效。因此，防止电池活性物质的膨胀造成正、负极板接触短路，是提高水平铅酸电池使用寿命的有效手段。

以微晶石蜡作为填充物填充与正负极板周围，可在一定程度上达到避免短路的目的。但是，这种微晶蜡需要加热到90-120℃融化后迅速注入(这种微晶蜡在90℃以上才能保持液态)。此时不但电解液也会蒸发，而且由于电池整体温度较低，如果灌蜡通道受阻，受阻的部位石蜡会迅速凝固，极易造成同一电池极群内、极板的一侧间隙为石蜡填充，另一侧不能完全填充，其后果是：未填充的一侧，充放电循环时极板加速膨胀，接触短路反而提前发生。因此，该方案的实际应用效果很差。

专利申请CN2018216856114公开了一种防止极板膨胀短路的水平铅酸电池，通过在电池壳体上设置容置槽容置膨胀后的负极活性物质，减少正、负极短路现象的发生。当极板制造和组装精度足够高，极板膨胀的部分恰好伸进容置槽，这样可以延缓正负极板接触短路。但是，因为容置槽的空间有限，容置槽填满后，活性物质会从容置槽溢出，正负极板还会接触短路，无法杜绝；且如果极板制造和组装出现偏差，极板膨胀的部分没有进入容置槽，而是直接接触容置槽的平面，极板水平方向膨胀受阻，膨胀的部分将会向垂直方向伸长，则更易发生极板短路的情况。

因此，目前无论哪种工艺，都无法避免正、负极板的短路发生，需要进一步开发更适合的解决方案。

【发明内容】

本发明提供一种具有填充物的水平铅酸电池，能够限制极板向两侧膨胀，从而避免正、负活性物质接触发生短路。

本发明还提供了上述水平铅酸电池的组装方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种具有填充物的水平铅酸电池，包括电池外壳，以及由正、负极板和隔膜组成的电池极群，其特征在于，所述正、负极板周围设置有常温下以液态形式注入、固化处理后转化为固态的填充物。这种填充物可以填满所有极板间隙，紧密包裹极板，限制了极板膨胀，只能向极板平面垂直方向膨胀，避免了正负极板短路，且水平电池的极高装配压力，限制了活性物膨胀，保证了活性物质的完整，使得水平铅酸电池的寿命大大提高。

进一步的，固化前的上述填充物固化前的所述填充物为具有流动性的树脂、橡胶、海藻酸钠溶液或者沥青。树脂可以选用具有流动性的硅溶胶或者发泡聚氨酯。上述填充物克服了灌装过程中的凝固问题，从根本上提高了填充效果。

进一步的，上述电池集群的两侧设置有用于阻隔不同电池极群之间的液体和/或气体流动的隔离件。隔离件的设置能够使不同电池极群间在双极板的铅丝处不发生窜液窜气。

进一步的，上述电池外壳的底板、侧板、顶盖的内表面与所述隔离件对应的位置均设置有隔离件定位槽，该隔离件定位槽既有利于组装隔离件时的定位，还能够供密封胶填充使整个隔离件与外壳之间的缝隙被完全密封，实现不同单元格之间的完全密封。

进一步的，上述隔离件上设置有纵向的贯通电池外壳底板的用于注入液态密封胶的注胶通孔，隔离件的上端和/或下端设置有用于容置密封胶的容胶凹槽，隔离件的侧壁与电池外壳的侧壁之间设置有供密封胶流动的存胶腔槽，固化处理后的注胶通孔、容胶凹槽、存胶腔槽和隔离件定位槽均填满密封胶，进一步提供密封效果。需要指出的是，密封胶与所述的填充物的作用效果是不同的，密封胶密封是组装的一部分，在电池化成之前，其目的是防止单格电池间窜液或窜气短路；填充物注入是在化成之后，其作用是限制极板膨胀，防止正负极板接触短路，延长寿命，因此密封胶与填充物并不要求是相同的物质，且大多数情况下并不相同。

进一步的，上述所述电池外壳的侧板下部设置有用于注入酸或者液态填充物的进酸孔，所述电池外壳的顶盖设置有用于注入酸或者液态填充物时排气的排气孔。无论是酸还是液态填充物，都由该孔注入，此过程中的排气则都由排气孔排出。此过程还可以辅以真空装置，加速填充。

进一步的，上述水平铅酸电池在所述注胶通孔的开口设置有与注胶通孔配合密封的胶孔堵头，用于实现更好的密封以及美观效果。

进一步的，上述水平铅酸电池保持100KPa及以上的装配压力，所述电池外壳的顶盖和侧板压装后通过极群的反弹力自锁。对于传统电池，一者组装压力小，二者塑壳强度低，不足以限制正负极板在厚度方向膨胀，易造成正极活性物膨胀后软化脱落；而水平电池集群组装压力足够大，塑壳足够强，限制了活性物质膨胀，保证了活性物质的完整。

上述具有填充物的水平铅酸电池的组装方法，包括以下步骤：当水平铅酸电池化成后，在常温下向电池内部注入液态形式的填充物，填满整个电池内部空间后，进行使液态形式的填充物固化的固化处理。

进一步的，上述固化处理为自然冷却凝固，或者加热固化，或者经过充电使填充物产生电荷中和效应、脱水效应或搭桥效应而聚沉，形成稳定的固体或胶凝体。

进一步的，注入液态形式的填充物过程中，电池内的气体通过设置于所述电池外壳的顶盖的排气孔排出。

进一步的，所述隔离件为由弹性母体与包裹在所述弹性母体内部的嵌件组成的条形结构，所述条形结构的高度与水平铅酸电池极板之间的间距相当，所述电池外壳的底板、侧板、顶盖的内表面与所述隔离件对应的位置均设置有隔离件定位槽，所述条形结构的上端和/或下端设置有左右贯通的用于容置密封胶的容胶凹槽，所述弹性母体与所述嵌件在同一纵向线上设置有相配合的纵向的注胶通孔，所述隔离件的侧壁与所述电池外壳的侧壁之间设置有供密封胶流动的存胶腔槽，所述电池外壳的侧板下部设置有用于注入酸或者液态填充物的进酸孔，所述电池外壳的顶盖设置有用于注入酸或者液态填充物时排气的排气孔；

所述组装方法包括如下步骤：

将隔离件、隔膜、电池极板按照固定的顺序层叠组装于电池外壳内，压装顶盖自锁，再通过注胶通孔注胶使之填满所有容胶凹槽、注胶通孔、隔离件定位槽和存胶腔槽，经过固化，所有隔离件及夹在隔离件中间的铅丝连接成一体，完成组装；

然后从电池正负极引出端焊接端子，加封端盖，进入化成阶段；所述化成，是在电池活化充电过程中，酸容器里的酸从电池侧板下部的进酸孔进入电池、由电池顶盖排气孔离开电池并回到酸容器中形成封闭循环，化成充电结束后，电池单格内腔的酸除保留在隔膜和正负极板微孔里的部分，其余的由电池进酸孔抽回酸容器，由此极板与电池壳侧壁间形成一定的空腔；

由进酸孔注入液态物质填充物，电池内部的气体由排气孔排出，填充物填满极板与电池壳侧壁间的空腔，从四周完全包围正、负极板，固化后清洗包装，成品电池完成。

本发明的有益效果如下：

本发明在水平铅酸电池内部注入常温下呈液态、固化处理后转化为固态的填充物；这种填充物可以填满所有极板间隙，紧密包裹极板，限制了极板向两侧膨胀，只能向极板平面垂直方向膨胀，避免了正负极板短路，且水平电池的极高装配压力，限制了活性物膨胀，保证了活性物质的完整，使得水平铅酸电池的寿命大大提高；本发明的组装方法合理，步骤简便，密封效果良好，既利于提高电池的整体性能，又提高了水平铅酸电池的组装效率。

【附图说明】

图1为实施例一的水平铅酸电池的侧剖示意图；

图2为图1的局部A的放大图。

标注说明：1，电池外壳；2，极板；3，注胶通孔；4，隔离件；5，胶孔堵头。

【具体实施方式】

下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。

以下所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，所描述的步骤也不是用以限制其执行顺序。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明做显而易见的改进，亦落入本发明要求的保护范围之内。

实施例一

一种具有填充物的水平铅酸电池，如图1和图2所示，包括电池外壳1，以及由正极板2(正、负极板)和隔膜组成的电池极群，每组电池极群的两端设置有若干隔离件 4形成的物理屏障，所有的极板2的周围包裹满填充物。

所述隔离件为由弹性母体与包裹在所述弹性母体内部的嵌件组成的条形结构，所述条形结构的高度与水平铅酸电池极板之间的间距相当，所述电池外壳的底板、侧板、顶盖的内表面与所述隔离件(即物理屏障)对应的位置均设置有隔离件定位槽，所述条形结构的上端和/或下端设置有左右贯通的用于容置密封胶的容胶凹槽，所述弹性母体与所述嵌件在同一纵向线上设置有相配合的纵向的注胶通孔，所述隔离件的侧壁与所述电池外壳的侧壁之间设置有供密封胶流动的存胶腔槽，所述电池外壳的侧板下部设置有用于注入酸或者液态填充物的进酸孔，所述电池外壳的顶盖设置有用于注入酸或者液态填充物时排气的排气孔。

密封胶以常温液态形式通过设置在隔离件4中的注胶通孔3注入，逐渐填满容胶凹槽、存胶腔槽、注胶通孔、隔离件定位槽，而后在注胶通孔3的顶端加盖胶孔堵头5，经过加热固化处理后转化为固态，再铸焊、封装端盖，通电化成。

化成完成后，从注酸孔注入填充物，填满所有极板2的间隙，固化，在水平电池的极高装配压力(100KPa及以上)下，能够有效限制了活性物质膨胀，避免了正负极板短路，保证了活性物质的完整，使得水平铅酸电池的寿命大大提高。

注酸和注入填充物过程中，电池内部的气体通过排气孔排出；此过程也可配合真空设备，加速填充。

在本实施例中，填充物为硅溶胶，固化前为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液，浓度为5-20wt％。在5A充电20小时后，由于电荷中和效应而聚合沉降为胶凝体，在电池充放电使用过程中，聚沉作用进一步深化，在经过50-100次充放电循环后，随着水分散失，成为有一定裂隙的固体。

上述水平铅酸电池的组装过程包括如下步骤：

将隔离件、隔膜、电池极板按照固定的顺序层叠组装于电池外壳内，压装顶盖自锁，再通过注胶通孔注胶使之填满所有容胶凹槽、注胶通孔、隔离件定位槽和存胶腔槽，经过固化，所有隔离件及夹在隔离件中间的铅丝连接成一体；

然后从电池正负极引出端焊接端子，加封端盖，进入化成阶段；所述化成，是在电池活化充电过程中，酸容器里的酸从电池侧板下部的进酸孔进入电池、由电池顶盖排气孔离开电池并回到酸容器中形成封闭循环，化成充电结束后，电池单格内腔的酸除保留在隔膜和正负极板微孔里的部分，其余的由电池进酸孔抽回酸容器，由此极板与电池壳侧壁间形成一定的空腔；

由进酸孔注入液态物质填充物，电池内部的气体由排气孔排出，填充物填满极板与电池壳侧壁间的空腔，从四周完全包围正、负极板，固化后清洗包装，电池成品完成。

电池性能检测

表1实施例一的水平铅酸电池的自放电率、循环寿命和膨胀短路情况

填满填充物后，电池的自放电和膨胀短路得到了改善，循环寿命得到了显著的提高。

实施例二

在实施例二中，填充物为1-10wt％海藻酸钠溶液，固化前为粘稠膏状，高速搅拌剪切后有一定的流动性，真空抽入电池内腔，5A充电6小时后，由于脱水效应，形成果冻状弹性体，在电池充放电使用过程中，弹性体进一步失水硬化。

实施例三

在实施例三中，填充物为环氧胶，固化前为粘度很低流动性很好液体，在恒温60℃。

Claims (13)

1.一种具有填充物的水平铅酸电池，包括电池外壳，以及由正、负极板和隔膜组成的电池极群，其特征在于，所述正、负极板周围设置有常温下以液态形式注入、固化处理后转化为固态的填充物。

2.根据权利要求1所述的具有填充物的水平铅酸电池，其特征在于，固化前的所述填充物为具有流动性的树脂、橡胶、海藻酸钠溶液或者沥青。

3.根据权利要求2所述的具有填充物的水平铅酸电池，其特征在于，固化前的所述树脂为具有流动性的硅溶胶或者发泡聚氨酯。

4.根据权利要求1所述的具有填充物的水平铅酸电池，其特征在于，所述电池集群的两侧设置有用于阻隔不同电池极群之间的液体和/或气体流动的隔离件。

5.根据权利要求1所述的具有填充物的水平铅酸电池，其特征在于，所述电池外壳的底板、侧板、顶盖的内表面与所述隔离件对应的位置均设置有隔离件定位槽。

6.根据权利要求5所述的具有填充物的水平铅酸电池，其特征在于，所述隔离件上设置有纵向的贯通电池外壳底板的用于注入液态密封胶的注胶通孔，所述隔离件的上端和/或下端设置有用于容置密封胶的容胶凹槽，所述隔离件的侧壁与所述电池外壳的侧壁之间设置有供密封胶流动的存胶腔槽，固化处理后的所述注胶通孔、容胶凹槽、存胶腔槽和隔离件定位槽均填满密封胶。

7.根据权利要求4所述的具有填充物的水平铅酸电池，其特征在于，所述电池外壳的侧板下部设置有用于注入酸或者液态填充物的进酸孔，所述电池外壳的顶盖设置有用于注入酸或者液态填充物时排气的排气孔。

8.根据权利要求6所述的具有填充物的水平铅酸电池，其特征在于，所述水平铅酸电池在所述注胶通孔的开口设置有与注胶通孔配合密封的胶孔堵头。

9.根据权利要求1-8任一项所述的具有填充物的水平铅酸电池，其特征在于，所述水平铅酸电池保持100KPa及以上的装配压力，所述电池外壳的顶盖和侧板压装后通过极群的反弹力自锁。

10.如权利要求4所述的具有填充物的水平铅酸电池的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：当水平铅酸电池化成后，在常温下向电池内部注入液态形式的填充物，填满整个电池内部空间后，进行使液态形式的填充物固化的固化处理。

11.根据权利要求10所述的具有填充物的水平铅酸电池的组装方法，其特征在于，所述固化处理为自然冷却凝固，或者加热固化，或者经过充电使填充物产生电荷中和效应、脱水效应或搭桥效应而聚沉，形成稳定的固体或胶凝体。

12.根据权利要求10所述的具有填充物的水平铅酸电池的组装方法，其特征在于，注入液态形式的填充物过程中，电池内的气体通过设置于所述电池外壳的顶盖的排气孔排出。

13.根据权利要求12所述的具有填充物的水平铅酸电池的组装方法，其特征在于，所述隔离件为由弹性母体与包裹在所述弹性母体内部的嵌件组成的条形结构，所述条形结构的高度与水平铅酸电池极板之间的间距相当，所述电池外壳的底板、侧板、顶盖的内表面与所述隔离件对应的位置均设置有隔离件定位槽，所述条形结构的上端和/或下端设置有左右贯通的用于容置密封胶的容胶凹槽，所述弹性母体与所述嵌件在同一纵向线上设置有相配合的纵向的注胶通孔，所述隔离件的侧壁与所述电池外壳的侧壁之间设置有供密封胶流动的存胶腔槽，所述电池外壳的侧板下部设置有用于注入酸或者液态填充物的进酸孔，所述电池外壳的顶盖设置有用于注入酸或者液态填充物时排气的排气孔；

所述组装方法包括如下步骤：

将隔离件、隔膜、电池极板按照固定的顺序层叠组装于电池外壳内，压装顶盖自锁，再通过注胶通孔注胶使之填满所有容胶凹槽、注胶通孔、隔离件定位槽和存胶腔槽，经过固化，所有隔离件及夹在隔离件中间的铅丝连接成一体，完成组装；

然后从电池正负极引出端焊接端子，加封端盖，进入化成阶段；所述化成，是在电池活化充电过程中，酸容器里的酸从电池侧板下部的进酸孔进入电池、由电池顶盖排气孔离开电池并回到酸容器中形成封闭循环，化成充电结束后，电池单格内腔的酸除保留在隔膜和正负极板微孔里的部分，其余的由电池进酸孔抽回酸容器，由此极板与电池壳侧壁间形成一定的空腔；

由进酸孔注入液态物质填充物，电池内部的气体由排气孔排出，填充物填满极板与电池壳侧壁间的空腔，从四周完全包围正、负极板，固化后清洗包装，电池成品完成。

Images