CN1221991A - 电动车用高比能量铅酸蓄电池 - Google Patents

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陈有孝
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Abstract

本发明是一种用于电动车的高比能量铅酸蓄电池。它的正极板栅采用铅锑合金材料。正极活性物质由Pb粉加入PTFE,异性石墨和K2SO4等制成。负极板栅采用稀土系铅钙合金材料。负极活性物质由Pb粉加入BaSO4,木素磺酸钠,α、β萘酸等制成。本发明经过对板栅,活性物质的改进与合理组合,有效地提高了铅酸蓄电池的各项技术指标。其中重量比能量可达50WH/kg,电池的设计寿命大于1000次,电池的充电接受能力、高倍率放电能力等也都超过了日本工业标准。

Description

电动车用高比能量铅酸蓄电池
本发明涉及蓄电池领域，特别是一种用于电动车的高比能量铅酸蓄电池。
电动车是一种无污染、节油的交通工具。而电动车最重要的是要有可靠的动力来源。目前，可提供给电动车的能源主要有：镍镉电池，镍-氢电池，锂离子电池和铅酸电池。这些电池各具特色，但电池在保证可靠性，安全性的基础上，每公斤电池所放出的能量大小是应用于电动车的重要指标。在上述电池中，镍-镉电池的重量比能量为40-45WH/kg，全密闭镍-镉电池的能重量比能量还要低一些。由于镍镉电池的严重污染及镉资源较少，故此电池已经是淘汰品种，用于电动车显然是不合适的。镍-氢化物二次电池作为镍-镉电池的替代产品，有其优良的性能，重量比能量达到50-55WH/kg，但是它的价格昂贵。对于锂离子电池，它的重量比能量很高，可达到70-80WH/kg，但其安全性，可靠性，尤其是大功率工作性能还有待于研究，而且该电池的价格更昂贵，所以大量应用于市场化的电动车是不可能的。而古老的铅酸电池具有很多优点，特别是全密闭铅酸电池的问世，更拓宽了它的应用领域。但这种安全、寿命长、价格低的电池最大的缺点是重量比能量低，目前的世界水平仅为30-36WH/kg。因而，做为电动车的能源是不能满足电动车使用要求的。
现有技术中有一种为克服铅酸蓄电池存在的重量和体积大，能量低的缺点，而设计的高比能量密闭免维护铅酸蓄电池极板结构，及其正负极板的装配方式。它的极耳置于极板边缘的中间位置，可以改善极板的集流效果，增加正负极板的容量；正负极板水平叠放形式，可以大大增加正负极板的表面积，使反应面积增大，改善电池的使用性能，但是由于它在正负极板栅，正负极活性物质，电解液的成分及其组合等方面仍有欠缺，使得电池的比能量指标不能满足电动车的需要。
本发明的目的旨在对传统的铅酸蓄电池的正负极板栅，正负极活性物质，电解液的成分及其组合进行改进，而提出一种适于电动车用的高比能量铅酸蓄电池，以克服现有技术中的不足之处。
本发明的目的可以通过下述方案实现。
电动车用高比能量铅酸蓄电池，包括壳体，位于板栅中部的极柱，为水平叠放的正负极板栅，正负极活性物质和电解液，本发明的特征在于：
所说的正极板栅采用铅合金材料，其合金成分(重量)为：0.01-1.2％Sb或Bi,0.01 2.0％As或Na,0.01-1.0％Cu或Al,0.01-2.0％Sn,0.01-1.0％Ag或Ce或La，余量Pb。
所说的正极活性物质，由Pb粉加入(a)比重为1.25g/cm3H2SO4溶液，(b)0.01-2％PTFE,(C)0.01-0.5％异性石墨，(d)0.001-0.05％K2SO4制成。
所说的负极板栅采用稀土系铅钙合金材料，其合金成分(重量)为：0.02-0.12％Ca,0.01-0.8％Sn,0.01-0.05％Al,0.01-0.05％Ce，余量Pb。
所说的负极活性物质，由Pb粉加入(a)比重为1.25g/cm3H2SO4溶液，(b)0.1-0.3％BaSO4,(c)0.1-0.3％木素磺酸钠，(d)0.1-0.3％α、β萘酸，(e)0.01-0.1％扩散剂N0制成。
所说的电解液采用比重为：1.285g/cm3H2SO4溶液，加入按体积百分比为0.1-2％的磷酸，及每升电解液加入10-100mgK2SO4配制。
以下结合本发明的实施例，对电动车用高比能量铅酸蓄电池予以详细叙述。
电动车用高比能量铅酸蓄电池也由壳体，极柱，水平叠放的正负极板栅，正负极活性物质和电解液等组成。其中：
正极板栅合金成分可以为：0.01-0.1％Sb或Bi,0.01-0.8％As或Na,0.01-0.1％Cu或Al,0.01-0.3％Sn,0.01-0.1％Ag或Ce或La，余量Pb。
正极板栅合金成分也可以为：0.1-0.8％Sb或Bi,0.8-1.5％As或Na,0.1-0.5％Cu或Al,0.3 0.9％Sn,0.1-0.5％Ag或Ce或La,余量Pb。
正极板栅合金成分也可以为：0.8-1.2％Sb或Bi,1.0-2.0％As或Na,0.5-1.0％Cu或Al,0.7-2.0％Sn,0.5-1.0％Ag或Ce或La,余量Pb。
负极板栅合金成分可以为：0.02-0.08％Ca,0.01-0.3％Sn,0.01-0.03％Al,0.03-0.05％Ce，余量Pb。
负极板栅合金成分也可以为：0.08-0.12％Ca,0.3-0.8％Sn,0.03-0.05％Al,0.01-0.03％Ce，余量Pb。
具体配方可以有：
正极板栅合金成分为：0.1％Sb,1.5％As,0.5％Al,0.3％Sn,0.5％La，余量Pb。
正极板栅合金成分为：1.0％Bi,1.1％Na,1.0％Cu,1.0％Sn,0.8％Ce，余量Pb。
负极板栅合金成分为：0.06％Ca,0.3％Sn,0.02％Al,0.04％Ce，余量Pb。
负极板栅合金成分(重量)为：0.08％Ca,0.6％Sn,0.03％Al,0.02％Ce，余量Pb。
此外，正负极板栅，正负极活性物质和电解液的组合实施例，请见附表所示：附表：(未注明单位为重量％)
    1      2      3      4      5
正极板栅     SbBiAsNaCuAlSnAgCeLaPb    0.05          0.06          1.20.1           0.82.0           0.8           0.011.5           0.10.01          0.3           1.00.1           0.82.0    1.5    0.7    0.1    0.011.0                         0.010.70.3    0.1余量   余量   余量   余量   余量
正极活性物质     PTEF异性石墨K2SO4    0.01    0.3    1.0    1.5    20.01    0.1    0.2    0.3    0.50.05    0.04   0.03   0.01   0.001
 Pb粉加入比重为1.25g/cm3H2SO4
负极板栅     CaSnAlCePb    0.02    0.05   0.08   0.10    0.120.8     0.5    0.3    0.1     0.010.01    0.02   0.03   0.04    0.050.05    0.04   0.03   0.02    0.01余量    余量   余量   余量    余最
负极活性物质     BaSO4木素磺酸钠α、β萘酸扩散剂N0    0.1     0.2     0.2    0.2     0.30.3     0.2     0.2    0.2     0.10.1     0.2     0.2    0.2     0.20.01    0.03    0.05   0.07    0.10
 Pb粉加入比重为1.25 g/cm3H2SO4
电解液 磷酸(体积％)K2SO4(mg/l)    0.1     0.5     1.0    1.5     2.0100     60      40     30      10
采用比重为1.285g/cm3H2SO4
当用本发明技术制作12V100AH电动车用铅酸蓄电池时，选择：
其正极板栅用：0.6％Sb,0.12％As,0.05％Cu,0.2％Sn,0.05％Ce，余量为Pb的合金成分，在熔铅锅中加热至480℃，保温30分钟，再升温至520℃时浇铸板栅。浇铸时模具温度控制在160-180℃。
其正极活性物质，由Pb粉加入比重为1.25g/cm3H2SO4溶液，0.05％PTFE,0.08％异性石墨和0.005％K2SO4，在合膏机中合匀，合膏时间大于35分钟。该正极活性物质在静置2小时后涂于正极板栅表面。在侵酸后立即送入固化室固化，固化时间在36小时左右。
其负极板栅用：0.08％Ca,0.3％Sn,0.03％Al,0.05％Ce和余量为Pb合金成分，在熔铅锅中熔化，浇铸成板栅。
其负极活性物质，由Pb粉加入比重为1.25g/cm3H2SO4溶液，0.17％BaSO4,0.18％木素磺酸钠，0.2％α、β萘酸和0.05％扩散剂N0，在合膏机中合匀，合膏时间大于30分钟。该负极活性物质在静置2小时后，涂于负极板栅表面。在侵酸后立即送入固化室固化，固化时间在36小时左右。
然后，正、负极板栅在比重为1.15g/cm3H2SO4溶液中化成，通电量为极板容量的4.2倍，化成时间控制在20小时。
最后，将正、负极板栅组装蓄电池。隔板采用玻璃纤维隔膜。电解液组分为：1.285g/cm3比重的H2SO4溶液，加入按体积百分比为1％的磷酸，再按每升电解液中加入30mgK2SO4。将电解液按10g/AH注入电池中，6小时后进行电池的性能测试。
上述12V100AH蓄电池测试结果如下：
日本工业标准JISC8707-92 电池测试结果
    0.1CA放电容量％ 3次循环≥95 第二次108
    0.5CA放电容量％     ≥60     76
    1CA放电时间分钟     ≥27     36
    3CA放电时间分钟     ≥4     6.8
    5CA放电时间秒     ≥1 70     302
    10CA放电时间秒     ≥80     180
    过充电性能％     ≥95     1 06
    充电接受能力2.5恒压充电10分钟 电流≥0.24CA     0.28CA
    贮存性能％(28天荷电保持能力)     78     78.2
    循环寿命次     200     500
    密闭反应效率     ≥90     98.2
    过充电浮充寿命     ≥180     360
本发明经过对正负极板栅，正负极活性物质和电解液组分的改进与合理组合，有效地提高了铅酸蓄电池的各项技术指标。其中重量比能量可达50WH/kg，远远超过了36AH/kg的国际水平。电池的设计寿命大于1000次，电池的充电接受能力、高率放电能力等指标也都超过了日本工业标准和国际IEC标准。

Claims (10)

1一种电动车用高比能量铅酸蓄电池，包括壳体，位于板栅中部的极柱，为水平叠放的正负极板栅，正负极活性物质和电解液，本发明的特征在于：
所说的正极板栅采用铅合金材料，其合金成分(重量)为：0.01-1.2％Sb或Bi,0.01-2.0％As或Na,0.01-10％Cu或Al,0.01-2.0％Sn,0.01-1.0％Ag或Ce或La，余量Pb；
所说的正极活性物质，由Pb粉加入(a)比重为1.25g/cm3H2SO4溶液，(b)0.01-2％PTFE,(C)0.01-0.5％异性石墨，(d)0.001-0.05％K2SO4制成；
所说的负极板栅采用稀土系铅钙合金材料，其合金成分(重量)为：0.02-0.12％Ca,0.01-0.8％Sn,0.01-0.05％Al,0.01-0.05％Ce，余量Pb；
所说的负极活性物质，由Pb粉加入(a)比重为1.25g/cm3H2SO4溶液，(b)0.1-0.3％BaSO4,(c)0.1-0.3％木素磺酸钠，(d)0.1-0.3％α、β萘酸，(e)0.01-0.1％扩散剂N0制成；
所说的电解液采用比重为：1.285g/cm3H2SO4溶液，加入按体积百分比为0.1-2％的磷酸，及每升电解液加入10-100mgK2SO4配制。
2按照权利要求1所述的蓄电池，其特征在于所说的正极板栅合金成分(重量)为：0.01-0.1％Sb或Bi,0.01-0.8％As或Na,0.01-0.1％Cu或Al,0.01-0.3％Sn,0.01-0.1％Ag或Ce或La，余量Pb。
3按照权利要求1所述的蓄电池，其特征在于所说的正极板栅合金成分(重量)为：0.1-0.8％Sb或Bi,0.8-1.5％As或Na,0.1-0.5％Cu或Al,0.3-0.9％Sn,0.1-0.5％Ag或Ce或La，余量Pb。
4按照权利要求1所述的蓄电池，其特征在于所说的正极板栅合金成分(重量)为：0.8-1.2％Sb或Bi,1.0-2.0％As或Na,0.5-1.0％Cu或Al,0.7-2.0％Sn,0.5-1.0％Ag或Ce或La，余量Pb。
5按照权利要求1或2、3、4所述的蓄电池，其特征在于所说的负极板栅合金成分(重量)为：0.02-0.08％Ca,0.01-0.3％Sn,0.01-0.03％Al,0.03-0.05％Ce，余量Pb。
6按照权利要求1或2、3、4所述的蓄电池，其特征在于所说的负极板栅合金成分(重量)为：0.08-0.12％Ca,0.3-0.8％Sn,0.03-0.05％Al,0.01-0.03％Ce，余量Pb。
7按照权利要求3所述的蓄电池，其特征在于所说的正极板栅合金成分(重量)为：0.1％Sb,1.5％As,0.5％Al,0.3％Sn,0.5％La,余量Pb。
8按照权利要求4所述的蓄电池，其特征在于所说的正极板栅合金成分(重量)为：1.0％Bi,1.1％Na,1.0％Cu,1.0％Sn,0.8％Ce,余量Pb。
9按照权利要求5所述的蓄电池，其特征在于所说的负极板栅合金成分(重量)为：0.06％Ca,0.3％Sn,0.02％Al,0.04％Ce，余量Pb。
10按照权利要求6所述的蓄电池，其特征在于所说的负极板栅合金成分(重量)为：0.08％Ca,0.6％Sn,0.03％Al,0.02％Ce，余量Pb。
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