CN114464902A - 一种长寿命铅酸蓄电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铅酸蓄电池技术领域，具体公开一种长寿命铅酸蓄电池。所述长寿命铅酸蓄电池，包括电解液、正极板和负极板，所述电解液包括去离子水、硫酸和活化剂，其中，所述活化剂包括如下质量份数的各组分：纳米氮化硅粉体：3份～7份，聚乙烯基吡咯烷酮：5份～10份，聚乙二醇：1份～5份，Na2OSiO2：1份～2份，Na2SO4：1份～2份，Na2CO3：1份～2份，聚3‑氯丁烯：1份～5份，聚氨基硅氧烷：5份～10份，纳米碳：10份～20份和高岭土：95份～105份。本发明提供铅酸蓄电池，通过在电解液中添加活化剂，避免硫酸铅大量吸附在负极板上而形成大颗粒结晶，大大延长蓄电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及铅酸蓄电池技术领域，尤其涉及一种长寿命铅酸蓄电池。
背景技术
阀控式铅酸蓄电池因具有体积小、重量轻、放电性能好、维护量小等特点，使其在问世之后迅速占领市场。阀控式铅酸蓄电池的设计寿命一般在10～15年，但是受产品生产工艺，使用环境等因素的影响，其使用寿命远远小于设计寿命。常见的电池失效模式主要是电池失水，负极板硫酸盐化，正极板腐蚀及极板活性物质脱落等。
电池负极的主要活性物质是海绵状铅，当电池放电时，与电解液反应生成硫酸铅，充电过程硫酸铅又被还原。正常工作状态下，负极板放电产生的硫酸铅颗粒较小，充电时容易生成海绵状铅，但是如果电池经常处于充电不足或过放电状态，负极就会逐渐形成一种粗大坚硬的颗粒状硫酸铅，从而失去活性，不能再参与化学反应，这一现象称为活性物质的硫酸盐化。在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。
板栅腐蚀变形是导致电池失效、缩短电池使用寿命的重要因素。在过充电状态下，正极板板栅中的铅被氧化为氧化铅,形成正极板腐蚀。且充电过程中，电池正极由于析氧反应，水被消耗，H+增加，从而导致正极附近酸度增高，板栅腐蚀加速。
极板活性物质脱落也是蓄电池失效的重要因素。极板由板栅和疏松多孔结构的活性物质构成，其中板栅的主要作用是支撑活性物质，充当活性物质的载体、传导和汇集电流，使电流均匀分布在活性物质上。随着充放电循环次数的增加，板栅尺寸会有一定程度的长大，导致承载活性物质的单格容积变大，降低活性物质之间的结合力，且活性物质与板栅的结合变弱，导致活性物质脱落。正极板活性物质脱落的原因还要归咎于活性物质晶体形态等改变。在正极活性物质中存在α-PbO2、β-PbO2，其中α-PbO2具有较好的机械强度和较大的尺寸，由α-PbO2形成的多晶网络可以作为活性物质脊骨；而β-PbO2具有较小尺寸和大的比表面积，可给出大的比容量，所以电极容量的主要提供者是β-PbO2。因此α-PbO2/β-PbO2需在一定的比例下才能达到最佳性能。由于在充放电循环中α-PbO2逐渐转变为β-PbO2，从而导致网络受到削弱和破坏，最终导致软化和脱落。因此保证正极活性物质的骨架在充放电循环中不受破坏对于延长蓄电池的使用寿命具有非常重要的意义。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种长寿命铅酸蓄电池，通过在电解液中添加活化剂，避免硫酸铅大量吸附在负极板上而形成大颗粒结晶，避免硫酸盐化对电池充放电性能的影响，大大延长蓄电池的使用寿命。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种长寿命铅酸蓄电池，包括电解液、正极板和负极板，所述电解液包括去离子水、硫酸和活化剂，其中，所述活化剂包括如下质量份数的各组分：纳米氮化硅粉体：3份～7份，聚乙烯基吡咯烷酮：5份～10份，聚乙二醇：1份～5份，Na2OSiO2：1份～2份，Na2SO4：1份～2份，Na2CO3：1份～2份，聚3-氯丁烯：1份～5份，聚氨基硅氧烷：5份～10份，纳米碳：10份～20份和高岭土：95份～105份。
相对于现有技术，本申请提供的一种长寿命铅酸蓄电池具有以下优势：
本申请在电解液中添加活化剂，Na2OSiO2、Na2SO4和Na2CO3可以让蓄电池充放电过程中获得更多的活泼的正离子，提高蓄电池的再充电能力，聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚3-氯丁烯和聚氨基硅氧烷等物质提高电解液的粘度，降低氮化硅、纳米碳、高岭土等的沉降速度，并使得氮化硅、纳米碳、高岭土等比表面积较大的物质可以均匀分布在蓄电池的电解液之中，改善电极表面结构，可以避免硫酸铅大量吸附在负极板上而形成大颗粒结晶，避免硫酸盐化对电池充放电性能的影响，延长蓄电池的使用寿命至15年以上。
可选的，以所述电解液的质量为100％计，所述活化剂的含量为1wt％～10wt％。
可选的，所述电解液的密度为1.2g/cm3～1.3g/cm3。
优选的电解液密度不仅满足铅酸蓄电池电池容量的需求，还能降低正极板板栅的腐蚀速率，不仅提高蓄电池的使用性能，同时大大延长其使用寿命。
可选的，所述正极板包括正极板栅和正极活性物质，其中，所述正极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.1份～1份，含磷化合物：1份～2份，沸石：0.5份～1份和硫酸羟胺：0.5份～1份，其中所述含磷物质为磷酸或磷酸盐中的至少一种。
优选的正极活性物质，添加碳材料能够提高活性物质的利用率，增强活性物质层的脊骨强度，避免α-PbO2逐渐转变为β-PbO2，降低极板活性物质脱落的风险；具有多孔结构的沸石能够吸附硫酸，可对阳离子进行交换，是很好的离子导体，提高正极活性物质的反应活性；硫酸羟胺作为还原剂，能够使粗粒硫酸铅生成结构固定的氧化铅，避免硫酸铅结晶的生成。
可选的，所述正极板栅的材质为Pb-Sr-Sn-Al合金。
优选的正极板栅的材料强度大，抗蠕变性能好，减小极板活性物质脱落的几率。
可选的，所述负极板包括负极板栅和负极活性物质，其中，所述负极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.1份～0.5份，腐殖酸：0.1份～1份，硫酸钡：0.5份～1份，没食子酸：0.1份～0.2份和香兰素：0.5份～0.8份。
优选的负极活性物质，以没食子酸为氧化还原的阻化剂，能够在电池制造过程中，防止经过水洗的化成负极板氧化，具体为没食子酸含有还原基-OH，在和膏时被氧化，而在化成时由于极板进行阴极过程，被随之还原，而在化成后的干燥过程中，被氧化的铅又逐渐被还原剂所还原，因此抑制了铅的氧化；香兰素能将电解液中导致负极充电不能正常进行的Sb3+离子杂质吸附在香兰素表面上，抑制氢气在Sb3+离子的作用下析出，达到减少电池在充放电循环过程中失水量的目的，延长阀控式铅酸蓄电池的寿命。
可选的，所述负极板栅的材质为Pb-Sb-As-Cu合金。
优选的负极板栅的材料强度大，抗蠕变性能好，减小极板活性物质脱落的几率。
可选的，所述蓄电池还包括外壳和电池盖，所述外壳和电池盖的材质为透明、防火且防爆的材料。
蓄电池的使用寿命与其应用条件及环境有关，我们可以通过合理的设置充放电条件及监测其使用环境来对蓄电池进行管理。然而在实际运行中，传统的阀控式铅酸蓄电池处于密封环境，无法有效判断蓄电池内部的反应状况，也无法及时有效的甄别出部分损伤甚至严重损伤的蓄电池，存在极大的风险。本发明中选用透明、防火且防爆的材料作为铅酸蓄电池的外壳及电池盖，能够通过蓄电池内部的反应状况对蓄电池的质量进行评估，及时调整蓄电池的应用条件或对蓄电池进行修复评估；能够及时判断出内部结构异常的蓄电池，防止开路或短路现象的发生，提高蓄电池管理的有效性以及蓄电池使用的安全性。
可选的透明、防火且防爆的材料可以是耐高温的PC板或者高分子聚碳有机玻璃。
可选的，所述外壳的材质为有机玻璃板材。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例1提供的长寿命铅酸蓄电池部分剖开的立体图；
其中，1、电池盖，2、负极板，3、正极板，4、隔板，5、电解液，6、电池槽，7、外壳。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种规格为2V300Ah长寿命铅酸蓄电池，其结构示意图如图1所示，包括电池盖1、外壳7、电池槽6、正极板3、负极板2、隔板4和电解液5，正极板3、负极板2和隔板4交替排列形成极板群，极板群的正极板3极耳与正极极柱焊接后形成正极汇流排，极板群的负极板极耳与负极板极柱焊接后形成负极汇流排。将上述集群装入电池槽6后采用胶封方式将电池槽6与电池盖1密封。
上述电池盖1选用透明耐高温的PC板，上述外壳7使用透明微晶玻璃板材。
上述电解液包括去离子水、硫酸和活化剂，其中所述活化剂包括如下质量份数的各组分：纳米氮化硅粉体：5份，聚乙烯基吡咯烷酮：10份，聚乙二醇：3份，Na2OSiO2：1份，Na2SO4：1份，Na2CO3：1份，聚3-氯丁烯：4份，聚氨基硅氧烷：10份，纳米碳：10份和高岭土：100份；以所述电解液的质量为100％计，所述活化剂的含量为5wt％，上述电解液的密度为1.20g/cm3。
上述正极板3包括正极板栅和正极活性物质，其中，正极板板栅采用Pb-Sr-Sn-Al合金制成，所述正极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.1份，磷酸：2份，沸石：1份和硫酸羟胺：1份。正极活性物质中铅粉经前驱体转化法制成碳包覆铅粉，再与其他组分充分混合后经过合膏、涂覆、干燥、化成等工艺后形成生正极板。
所述负极板2包括负极板栅和负极活性物质，其中负极板板栅采用Pb-Sb-As-Cu，所述负极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.1份，腐殖酸：0.7份，硫酸钡：0.5份，没食子酸：0.1份和香兰素：0.5份。负极活性物质中铅粉经前驱体转化法制成碳包覆铅粉，再与其他组分充分混合后经过合膏、涂覆、干燥、化成等工艺后形成负极板。
上述正极板与负极板中碳包覆铅粉的具体制备过程为：
将铅粉、糖粉、去离子水、按照1:0.1:2的质量比进行搅拌混合，经超声波震荡2h，使糖水与铅粉充分接触，在200℃的温度下搅拌5h，使糖水经过蒸发、凝聚转化为均匀包覆在铅粉表面的前驱体。在N2气体的保护下，将包覆在铅粉表面的前驱体在高温密闭的条件下碳化，碳化温度为800℃，碳化时间为2h，温升速率不超过5℃/min，得到经高温碳化后获得碳包覆铅粉。
实施例2
本实施例提供一种规格为2V300Ah长寿命铅酸蓄电池，其结构示意图如图1所示，包括电池盖1、外壳7、电池槽6、正极板3、负极板2、隔板4和电解液5，正极板3、负极板2和隔板4交替排列形成极板群，极板群的正极板3极耳与正极极柱焊接后形成正极汇流排，极板群的负极板极耳与负极板极柱焊接后形成负极汇流排。将上述集群装入电池槽6后采用热封方式将电池槽6与电池盖1密封。
上述电池盖1选用透明耐高温的PC板，上述外壳7使用透明微晶玻璃板材。
上述电解液包括去离子水、硫酸和活化剂，其中所述活化剂包括如下质量份数的各组分：纳米氮化硅粉体：3份，聚乙烯基吡咯烷酮：5份，聚乙二醇：5份，Na2OSiO2：2份，Na2SO4：2份，Na2CO3：1.5份，聚3-氯丁烯：1份，聚氨基硅氧烷：5份，纳米碳：20份和高岭土：105份；以所述电解液的质量为100％计，所述活化剂的含量为10wt％，上述电解液的密度为1.30g/cm3。
上述正极板3包括正极板栅和正极活性物质，其中，正极板板栅采用Pb-Sr-Sn-Al合金制成，所述正极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：1份，磷酸钠：1份，沸石：0.5份和硫酸羟胺：0.5份，其中所述含磷物质为磷酸或磷酸盐中的至少一种。正极活性物质中铅粉经前驱体转化法制成碳包覆铅粉，再与其他组分充分混合后经过合膏、涂覆、干燥、化成等工艺后形成生正极板。
上述碳包覆铅粉的具体制备过程为：
将铅粉、糖粉、去离子水、按照1:0.2:5的质量比进行搅拌混合，经超声波震荡1h，使糖水与铅粉充分接触，在160℃的温度下搅拌10h，使糖水经过蒸发、凝聚转化为均匀包覆在铅粉表面的前驱体。在N2气体的保护下，将包覆在铅粉表面的前驱体在高温密闭的条件下碳化，碳化温度为1000℃，碳化时间为1h，温升速率不超过5℃/min，得到碳包覆铅粉。
所述负极板2包括负极板栅和负极活性物质，其中负极板板栅采用Pb-Sb-As-Cu，所述负极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.5份，腐殖酸：0.1份，硫酸钡：0.8份，没食子酸：0.2份和香兰素：0.8份。负极活性物质中铅粉经前驱体转化法制成碳包覆铅粉，再与其他组分充分混合后经过合膏、涂覆、干燥、化成等工艺后形成负极板。
上述碳包覆铅粉的具体制备过程为：
将铅粉、糖粉、去离子水、按照1:0.15:5的质量比进行搅拌混合，经超声波震荡1h，使糖水与铅粉充分接触，在160℃的温度下搅拌10h，使糖水经过蒸发、凝聚转化为均匀包覆在铅粉表面的前驱体。在N2气体的保护下，将包覆在铅粉表面的前驱体在高温密闭的条件下碳化，碳化温度为1000℃，碳化时间为1h，温升速率不超过5℃/min，得到碳包覆铅粉。
实施例3
本实施例提供一种规格为2V300Ah长寿命铅酸蓄电池，其结构示意图如图1所示，包括电池盖1、外壳7、电池槽6、正极板3、负极板2、隔板4和电解液5，正极板3、负极板2和隔板4交替排列形成极板群，极板群的正极板3极耳与正极极柱焊接后形成正极汇流排，极板群的负极板极耳与负极板极柱焊接后形成负极汇流排。将上述集群装入电池槽6后采用热封方式将电池槽6与电池盖1密封。
上述电池盖1选用透明耐高温的高分子聚碳有机玻璃，上述外壳7使用透明微晶玻璃板材。
上述电解液包括去离子水、硫酸和活化剂，其中所述活化剂包括如下质量份数的各组分：纳米氮化硅粉体：7份，聚乙烯基吡咯烷酮：8份，聚乙二醇：1份，Na2OSiO2：2份，Na2SO4：1.5份，Na2CO3：2份，聚3-氯丁烯：5份，聚氨基硅氧烷：8份，纳米碳：15份和高岭土：95份；以所述电解液的质量为100％计，所述活化剂的含量为10wt％，上述电解液的密度为1.30g/cm3。
上述正极板3包括正极板栅和正极活性物质，其中，正极板板栅采用Pb-Sr-Sn-Al合金制成，所述正极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.5份，质量比1:1的磷酸和磷酸钾的混合物：1.5份，沸石：0.8份和硫酸羟胺：0.8份。正极活性物质中铅粉经前驱体转化法制成碳包覆铅粉，再与其他组分充分混合后经过合膏、涂覆、干燥、化成等工艺后形成生正极板。
所述负极板2包括负极板栅和负极活性物质，其中负极板板栅采用Pb-Sb-As-Cu，所述负极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.5份，腐殖酸：1份，硫酸钡：1份，没食子酸：0.2份和香兰素：0.7份。负极活性物质中铅粉经前驱体转化法制成碳包覆铅粉，再与其他组分充分混合后经过合膏、涂覆、干燥、化成等工艺后形成负极板。
上述正极板和负极板中碳包覆铅粉的具体制备过程为：
将铅粉、糖粉、去离子水、按照1:0.15:5的质量比进行搅拌混合，经超声波震荡1h，使糖水与铅粉充分接触，在180℃的温度下搅拌8h，使糖水经过蒸发、凝聚转化为均匀包覆在铅粉表面的前驱体。在N2气体的保护下，将包覆在铅粉表面的前驱体在高温密闭的条件下碳化，碳化温度为600℃，碳化时间为2h，温升速率不超过5℃/min，得到碳包覆铅粉。
实施例4
本实施例提供一种规格为2V300Ah长寿命铅酸蓄电池，其结构示意图如图1所示，包括电池盖1、外壳7、电池槽6、正极板3、负极板2、隔板4和电解液5，正极板3、负极板2和隔板4交替排列形成极板群，极板群的正极板3极耳与正极极柱焊接后形成正极汇流排，极板群的负极板极耳与负极板极柱焊接后形成负极汇流排。将上述集群装入电池槽6后采用热封方式将电池槽6与电池盖1密封。
上述电池盖1选用透明耐高温的高分子聚碳有机玻璃，上述外壳7使用透明微晶玻璃板材。
上述电解液包括去离子水、硫酸和活化剂，其中所述活化剂包括如下质量份数的各组分：纳米氮化硅粉体：5份，聚乙烯基吡咯烷酮：6份，聚乙二醇：3份，Na2OSiO2：1份，Na2SO4：2份，Na2CO3：2份，聚3-氯丁烯：3份，聚氨基硅氧烷：10份，纳米碳：15份和高岭土：100份；以所述电解液的质量为100％计，所述活化剂的含量为5wt％，上述电解液的密度为1.25g/cm3。
上述正极板3包括正极板栅和正极活性物质，其中，正极板板栅采用Pb-Sr-Sn-Al合金制成，所述正极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.3份，质量比1:3的磷酸和磷酸钠的混合物：2份，沸石：0.8份和硫酸羟胺：0.5份。正极活性物质中铅粉经前驱体转化法制成碳包覆铅粉，再与其他组分充分混合后经过合膏、涂覆、干燥、化成等工艺后形成生正极板。
所述负极板2包括负极板栅和负极活性物质，其中负极板板栅采用Pb-Sb-As-Cu，所述负极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.3份，腐殖酸：0.2份，硫酸钡：1份，没食子酸：0.2份和香兰素：0.8份。负极活性物质中铅粉经前驱体转化法制成碳包覆铅粉，再与其他组分充分混合后经过合膏、涂覆、干燥、化成等工艺后形成负极板。
上述正极板和负极板中碳包覆铅粉的具体制备过程为：
将铅粉、糖粉、去离子水、按照1:0.13:5的质量比进行搅拌混合，经超声波震荡1h，使糖水与铅粉充分接触，在190℃的温度下搅拌8h，使糖水经过蒸发、凝聚转化为均匀包覆在铅粉表面的前驱体。在N2气体的保护下，将包覆在铅粉表面的前驱体在高温密闭的条件下碳化，碳化温度为800℃，碳化时间为2h，温升速率不超过5℃/min，得到碳包覆铅粉。
为了更好的说明本发明实施例提供的长寿命铅酸蓄电池的特性，下面将实施例1～实施例4制备的铅酸蓄电池进行性能检测。
将蓄电池规格为2V300Ah的蓄电池分别以2.25V的浮充电压在60℃±0.5℃环境下进行15个月的加速老化测试，试验结果如下表1所示。每个月对蓄电池组进行一次放电核容。经高温老化后，第10个月，所有电池容量均能达到额定容量的100％及以上，第11个月，电池容量均开始下降，至第15个月，实施例1电池容量为标称容量80％，实施例2电池为标称容量82％，实施例3电池为标称容量82％，实施例4电池为标称容量80％。
表1检测结果
备注：
1、测试容量＞300Ah的电池，表示在10小时率放电核容时，终止电压大于1.80V。
2、根据YDT 799-2010《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》中的标准进行铅酸蓄电池高温加速浮充寿命的实验。
根据寿命推测方法：每次高温加速浮充试验周期为一个月，每次折合寿命一年。在第15年实施例1～4制备的铅酸蓄电池的电池容量不低于80％，因此电池寿命至少为15年。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种长寿命铅酸蓄电池，包括电解液、正极板和负极板，其特征在于：所述电解液包括去离子水、硫酸和活化剂，其中，所述活化剂包括如下质量份数的各组分：纳米氮化硅粉体：3份～7份，聚乙烯基吡咯烷酮：5份～10份，聚乙二醇：1份～5份，Na2OSiO2：1份～2份，Na2SO4：1份～2份，Na2CO3：1份～2份，聚3-氯丁烯：1份～5份，聚氨基硅氧烷：5份～10份，纳米碳：10份～20份和高岭土：95份～105份。
2.如权利要求1所述的长寿命铅酸蓄电池，其特征在于：以所述电解液的质量为100％计，所述活化剂的含量为1wt％～10wt％。
3.如权利要求1所述的长寿命铅酸蓄电池，其特征在于：所述电解液的密度为1.2g/cm3～1.3g/cm3。
4.如权利要求1所述的长寿命铅酸蓄电池，其特征在于：所述正极板包括正极板栅和正极活性物质，其中，所述正极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.1份～1份，含磷化合物：1份～2份，沸石：0.5份～1份和硫酸羟胺：0.5份～1份，其中所述含磷物质为磷酸或磷酸盐中的至少一种。
5.如权利要求4所述的长寿命铅酸蓄电池，其特征在于：所述正极板栅的材质为Pb-Sr-Sn-Al合金。
6.如权利要求1所述的长寿命铅酸蓄电池，其特征在于：所述负极板包括负极板栅和负极活性物质，其中，所述负极活性物质包括如下质量份数的各组分：铅粉：100份，碳材料：0.1份～0.5份，腐殖酸：0.1份～1份，硫酸钡：0.5份～1份，没食子酸：0.1份～0.2份和香兰素：0.5份～0.8份。
7.如权利要求6所述的长寿命铅酸蓄电池，其特征在于：所述负极板栅的材质为Pb-Sb-As-Cu合金。
8.如权利要求1～7所述的长寿命铅酸蓄电池，其特征在于：所述蓄电池还包括外壳和电池盖，所述外壳和电池盖的材质为透明、防火且防爆的材料。
9.如权利要求8所述的长寿命铅酸蓄电池，其特征在于：所述外壳的材质为微晶玻璃板材。
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