CN201829576U - 具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，主要由被中间壁分隔为十二个单格的电池槽，以及与电池槽相匹配的电池盖组成，所述的单格呈两列分布，其中一列为极群室，在所述极群室内放置有极群组并注有电解液，另一列为纯水室，在所述的纯水室内注有纯水或电解液；每个极群组对应一个纯水室，并且在极群组与对应的纯水室之间设有连通导管和连通毛细孔。本实用新型极群组采用多片紧装配，正板栅用铅锑合金，负板栅用铅钙合金，正负板栅网孔密度高，设有纯水室、连通导管和连通毛细孔，使AGM隔板自动调节为欠饱和的最佳状态，使蓄电池即使在50℃高温环境下工作时，不仅循环使用寿命长，而且水损耗极小，在数年的寿命期内均不缺水，做到了真正的免维护。

Description

具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池
技术领域
本发明涉及一种起动用铅酸蓄电池：主要用于汽车，拖拉机，工程机械等领域，具体是指一种具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池。
背景技术
铅酸蓄电池的构造主要有正(负)极板，隔板，电解液，电池槽，连接条和正负端子等组成，正(负)极板即为本发明中的板栅涂上铅膏构成。铅蓄电池是一种将化学能转变成电能的装置，属于直流电源。
目前用ABS塑料电池槽盖的阀控式铅酸蓄电池(缩写词为VRLA)制作工艺大致如下：
合金配置→板栅制造→机械涂板→极板固化干燥→极板化成→极板冲洗干燥→极板分片清刷→包极组→极群的焊接→极群入壳→电池短路测试→极群组氧焊串联→胶封盖→高温固化胶→端子焊接→端子胶密封→高温固化胶→电池气密性检测→定量加酸→充电→超声波封盖片→电池内阻测试→电池酸密封性检测→电池OCV检测→电池内部可靠性检测→生产日期烙印→电池商标丝印→包装。
阀控式铅酸蓄电池(VRLA)是指带有(单向，安全)阀的密封蓄电池，在电池内气压超出预定值时允许气体逸出到电池外部，而不允许电池外部的气体等物进入电池内部。这种电池或电池组在正常情况下是不能向电池内部添加电解质的。
目前，市场上的VRLA的板栅合金主要分为两种，其不同点为：一种是正板栅采用铅锑合金，负板栅采用铅钙合金制作；另一种是正板栅与负板栅均采用铅钙合金制作。正板栅采用铅锑合金的电池特点是：深循环使用寿命长，但水损耗大、免维护性能差；正板栅采用铅钙合金的电池特点是：深循环使用寿命短、但水损耗小，免维护性能良好，对于这种采用铅钙合金导致蓄电池深循环使用寿命短的现象，行业内称为“无锑效应”。
由于近年蓄电池修复行业的兴起，多数厂家的正板栅均采用铅锑合金制作，其循环使用寿命长，虽然水损大，但是可以通过修复对其进行维护，如图2所示，蓄电池修复的原理就是通过打开外置的安全阀向蓄电池内部加水及电解液，使其可以继续使用。但是，阀控式铅酸蓄电池一般情况下是不允许添加电解质的，也就是说，蓄电池修复其实是一种违规操作，具有以下几个缺陷：第一，违规操作有可能给蓄电池的使用带来潜在风险；第二，定期维护给使用者造成一定经济上的损失，并带来不必要的麻烦。
特别是对于起动用的汽车电池来说，尤其安装于发动机旁边的出租车蓄电池，工作环境温度较高，可达50℃左右，另外出租车运转时间长，24小时中有20个小时都在运转，该类蓄电池，其水损耗更大、免维护性能更差。
另外，目前市场上的阀控式铅酸蓄电池的电池槽，电池盖都是采用ABS塑料材料制作而成，其特点是：电池槽和电池盖只能通过粘胶的方法粘合为一体(因为ABS的热熔性差)，表面硬度大、钢性好、承受内部气体压力高，但抗冲击能力差，具有以下几个缺陷：第一，材料比重大、单价高和使用环氧树脂胶，致使电池成本较大；第二，如图1所示，由于在每个单格之间的中间壁因ABS脆性大，不能穿孔，故相邻单体电池之间的连接必须采用过桥焊，过桥焊的结构如图3所示，其主要是通过氧气焊接而成，这种焊接必须通过手工完成，从而浪费大量的人力成本，生产效率低；第三，电池槽与电池盖之间的密封采用环氧树脂粘胶，其操作步骤复杂，首先要粘接电池槽和电池盖，其次要采用端子胶进行密封端子，最后再用标识胶标明正负极性，在三次粘胶之间还要分别加热固化一段时间，该复杂的操作步骤再次降低了生产效率和增加了生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池(缩写词VRLA)，它通过在蓄电池内部设置纯水室，使蓄电池不仅循环使用寿命长，而且水损耗小，免维护性能好。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，主要由被中间壁分隔为十二个单格的电池槽，以及与电池槽相匹配的电池盖组成，所述的单格呈两列分布，其中一列为极群室，在所述极群室内放置有极群组并注有电解液，另一列为纯水室，在所述的纯水室内注有纯水或电解液；每个极群组对应一个纯水室，并且在极群组与对应的纯水室之间设有连通导管。
为了使水蒸汽冷却为水并补充到极群室，所述的连通导管伸到纯水室底端，并在所述极群室与对应纯水室之间的中间壁底部还设有连通毛细孔。注入纯水的液面线高度位于连通导管上端位置。
所述极群室的宽度与纯水室宽度的比值在1.30∶1～1.98∶1之间。
所述的极群组由正极板与负极板间隔放置而成，为了降低铅膏与板栅的界面电阻，所述的正极板的板栅采用铅锑合金制作而成，所述的负极板的板栅采用铅钙合金制作而成；在每个正极板与负极板之间还设置有超细玻璃纤维隔板，行业内简称为AGM隔板，且所述的超细玻璃纤维隔板为双层，100KPA测定厚度为0.36毫米至0.42毫米。
为了降低蓄电池内阻，所述极群组的极板间距为2.1mm～2.8mm，极板间距定义为：以极板平面垂直方向的单格电池槽厚度除以该单格装入极板的片数的值等于极板间距。为了提高铅膏与板栅的结合强度，提高蓄电池的充放电性能，所述正极板与负极板板栅的网孔密度均为1.7个/cm2～2.3个/cm2。
在每个单格内按极群组体积计，注入极群室电解液的量为0.64ml/cm3～0.67ml/cm3，且注入偏差小于0.4％；所述注入电解液的密度为1.38g/cm3～1.40g/cm3。
在所述的电池盖上还外置有安全阀及加液孔，所述安全阀的出气端位于电池盖顶端，且安全阀安装于纯水室顶部，而所述的加液孔位于极群室顶部。蓄电池出厂时，用开启压力高于安全阀开启压力的橡胶帽置于加液孔以保证气体从纯水室排出。
在放置有极群组的相邻两个单格之间的中间壁上还设置有穿孔，而位于两个单格内的极群组通过穿孔穿壁焊接为一体。
所述的电池槽、中间壁与电池盖均采用PP塑料材料制作而成，且所述的电池槽与电池盖热封为一体。
综上，本发明的有益效果是：
(1)起动(峰值)功率大，快速充电能强：因极群组采用多片紧配，极板间距小；正负板栅的网孔密度大，板栅与铅膏界面增大；且正板栅采用铅锑合金，板栅与铅膏的界面电阻率减小而且稳定，这三项要素都使蓄电池的内电阻变得很小，使蓄电池的充放电性能十分优良，故使蓄电池的输出峰值功率大于0.3C3KW；快速充电的容量大于0.9C3AH，(C3＝1.33C20)。
(2)单格容量偏差小：因极群组采用多片紧装配和每格加酸量精确控制，最大偏差小于0.4％，每片容量的偏差占总容量的百分比减少，其结果是使各单格容量趋于一致，单格容量落后的现象大为减少，延长了蓄电池的使用寿命。
(3)免维护性好：阀控式铅酸蓄电池的氧复合为水的效率与极板总面积成正比，与极板间成反比，因极群组采用多片紧装配，再加以每个单体电池还配备一个独立的纯水室，使水蒸汽冷却为水又吸回和压回极群室，进一步减小了蓄电池的水损耗，特别是对长期工作在高温环境中的起动用蓄电池，确保了蓄电池的免维护性能，在数年的使用寿命期中蓄电池都不会缺水。
(4)深循环使用寿命长：因极群组采用多片极板紧装配；正负板栅的网孔密度都大；且正板栅采用铅锑合金；用硫酸物质量来控制容量输出容量。四项要素迭加结果，有效地防止了蓄电池的深度过放电和蓄电池深过放电后的恢复能力强，确保了蓄电池的深循环使用寿命。
(5)生产成本低：电池槽与电池盖均采用PP塑料材料制作而成，PP材料的特点是：密度小，单价低，热熔性和抗冲击性能好，但表面硬度较小，钢性不够好，承受内部气体的压力比ABS塑料材料较低，但由于本发明氧复合效率高，水损耗小，即充电过程中产生的氧气很快地还原为水，所以蓄电池内部气体压力本身就较小，故采用PP塑料材料已可完全满足本发明的需求。另外省去了粘胶用的环氧树脂胶和工时，大大降低了生产成本。
(6)生产效率高：因在每两个单体电池之间中间壁上均设有穿孔，将单体蓄电池串联时，采用穿壁焊机焊接工艺，电池槽与电池盖之间的密封也是采用热封机进行热熔密封的，全机械化操作不仅降低了人力成本，而且提高了工作效率。
附图说明
图1为现有技术中电池槽的结构示意图。
图2为现有技术盖体的结构示意图。
图3为现有技术中每个单体电池之间串联时采用过桥焊的俯视结构示意图。
图4为本发明电池槽的结构示意图。
图5为本发明中每个单体电池之间串联采用穿壁焊的俯视结构示意图。
图6为本发明中极群组未涂铅膏并未放置隔板时的结构示意图。
图7为本发明氧气从正极传输到负极的放大结构示意图。
图8为本发明的截面结构示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：1-电池槽；2-电池盖；3-中间壁；4-极群组；5-纯水室；6-连通导管；7-安全阀；8-穿孔；9-超细玻璃纤维隔板；10-电解液膜；11-氧气通道；12-极群室；13-连通毛细孔。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1～8所示，具有纯水室5的阀控式铅酸蓄电池，主要由被中间壁3分隔为十二个单格的电池槽1，以及与电池槽1相匹配的电池盖2组成，所述的电池槽1、中间壁3与电池盖2均采用PP塑料材料制作而成。
如图4所示，所述的单格电池槽1呈两列分布，在其中一列为极群室12，在极群室12内放置有极群组4并注有电解液，另一列为纯水室5，每个极群组4对应一个纯水室5，并且在极群组4与对应的纯水室5之间设有连通导管6，所述的连通导管6伸到纯水室5底端。如图8所示，在极群室12与纯水室5之间的中间壁3的下剖还开设有连通毛细孔13。上述的每个单格内放置极群组4并注有电解液就形成一个单体电池，单体电池的标称电压为2V，如12V的阀控式铅酸蓄电池即由6个单体电池串联而成。串联是将相邻两个单格内的极群组4通过中间壁3上的穿孔8穿壁焊接为一体，穿壁焊结构如图5所示，所述极群组4的极板间距在2.1mm至2.5mm。
所述的极群组4由正极板与负极板间隔放置而成，在每个正极板与负极板之间还设置有隔板9，如图7所示。所述正负极板的板栅的网孔密度在1.7个/cm2至2.3个/cm2，且板栅上的网孔可为任意形状。所述的正极板栅采用铅锑合金制作而成，正极板栅采用铅锑合金保证了蓄电池的深循环使用寿命，所述的负极板栅采用铅钙合金制作而成，所述的隔板9采用超细纤维玻璃棉，现有技术中将超细玻璃纤维棉隔板9，缩写词为AGM。
本发明中要求精密注入电解液，以保证单格电池容量的一致性，以极群组4体积计，每个单格内注入电解液的量为0.64ml/cm3至0.67ml/cm3，当电解液量确定后，要求六单格间注入量的最大偏差小于0.4％。理论上，每放出一AH的电量需要4.46g的二氧化铅，需要3.84g的铅以及3.66g的硫酸。三者之一的最小量，限制了蓄电池的最大输出电量，当三种物质量一定时，蓄电池的输出电量还受到二氧化铅和铅的孔率大小的影响，因为硫酸溶液扩散到二氧化铅电极和铅电极的表面的深度大，蓄电池输出电量就大，反之就小。然而极板的二氧化铅与铅的量及其孔率，在生产过程中是很难控制的，只有电解液的量容易实现精确控制，所以本发明中采用精密控制硫酸的物质量来控制容量输出，即注入硫酸的物质量小于使二氧化铅与铅反应完全的需求量。蓄电池在放电时，硫酸反应完毕后，无论二氧化铅与铅的余量为多少，都不能进行反应了，即控制了蓄电池电量的输出。由于注入硫酸的量在每个单体电池内是相同的，且注入精度高，偏差小，使得蓄电池在放电过程中，每个单体电池之间的容量差别小于2％，从而保证了蓄电池良好的组合一致性，进一步确保了蓄电池的使用寿命。
本发明中，电池槽1与电池盖2均采用PP塑料材料制作而成，由于PP塑料材料的热熔性较好，故所述的电池槽1与电池盖2可热封为一体，此热封工艺比现有技术中采用环氧树脂粘胶密封工艺节约了操作步骤，既保证了密封质量，降低了生产成本，又提高了生产效率。
现有技术中，由于产生的氧气和水蒸汽不容易还原为水，故在电池槽盖2体内气压超过预定值时，气体就会从安全阀7排出，其采用承受内压较大的ABS塑料材料，目的是提高开启压力，从另一方面来讲也是希望减小水耗。本发明中，由于氧气极易还原为水，产生的气体本身就少，气压就低，故采用承受气体压力较小的PP塑料材料就已经完全可以满足要求，既降低了成本，又提高了工作效率。
本发明的实现原理如下：相同容量的蓄电池，充电时电流是相同的，单位时间内产生的氧气也是相同的，即氧气的产生量与充电电量成正比。极群组4在紧装配的前提下，充电时产生的氧气，从正极板经过欠饱和(饱和度略小于100％)的AGM隔板9上的氧气通道11传输到负极板，与负极板的铅反应生成氧化铅(在正极板、负极板与AGM隔板9间还形成有一层厚度约0.1um电解液膜10，其阻力可不计)，而氧化铅则与电解液中的硫酸反应生成水和硫酸铅，故氧气最终是还原为水的，其还原为水的速率主要与氧气从正极传输到负极的传输速率或者说传输阻力有较大关系。氧气从正极传输到负极的传输速率与蓄电池极板的总面积成正比，与极板间距成反比，本发明单体电池中，极板片数多，极板间距小，极板总面积增大、而极板间距缩小，在紧装配的情况下，氧气的传输速率极大，氧气也就很容易还原为水，从而使得蓄电池的免维护性得到了很好的保证。
虽然如此，蓄电池的水损耗仍然存在，因为蓄电池在充电过程中主要产生氧气，有少量氢气，在放电和储存过程中产生极少的气体。但在环境温度较高时，即使没有工作的蓄电池都会产生一定量的主要为水蒸汽的气体，那么高温环境下工作的蓄电池，必然会产生大量的水蒸汽和氧气，氧气可以复合还原为水，而水蒸汽则不能复合还原为水。对于现有普通富液(即大量电解液将极群组4淹没)蓄电池或贫液的阀控式蓄电池，由于每个单体蓄电池在充放电过程中，极群组4和电解液及其上部空间中的气体温度都是相同的，安全阀7又安装于同一电池槽盖2容器中，那么当蓄电池内气压超过安全阀7开启压力时，所有气体包括水蒸汽都排出蓄电池体外，增大了蓄电池的水损耗。为了进一步减小水损耗，本发明为每个单体蓄电池还配备有一个独立的纯水室5，纯水室5与单体蓄电池之间采用连通导管6连接，连通导管6伸到纯水室5底部。由于极群室12与纯水室5处于相对独立的两个空间内，蓄电池在充放电过程中，极群室12的温度始终高于纯水室5的温度，另外在纯水室5里下层的温度始终又比上层的温度低。这样一来，蓄电池在充放电过程中产生的气体，使极群室12一侧内部气压大于纯水室5一侧内部的气压，由于气压和温差的原理，极群室12内产生的以水蒸汽为主的气体由连通导管6输入到纯水室5底部，排出后在水中又冷却为液态水，而本发明的单体蓄电池极群组4内产生的氧气，因极群组4采用多片紧装配，且板间距小，已将氧气基本复合还原为水。蓄电池不工作时，极群室12的温度会降低，气压会降低，当极群室12内的气压低于纯水室5内气压时，纯水室5内的水通过连通导管6或连通毛细孔13又吸回或浸回至极群室12一侧，从而对蓄电池自行进行了补水修复，而不需要打开电池盖2人工加水修复，确保了蓄电池工作所必需的电解液的量。只有当蓄电池长时间连续工作或环境温度长期处于较高时，使极群室12与纯水室5的气压均大于安全阀7开启压力时，多余的气体才会从安全阀7处排出，以保证蓄电池的使用安全。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，其特征在于：主要由被中间壁(3)分隔为十二个单格的电池槽(1)，以及与电池槽(1)相匹配的电池盖(2)组成，所述的单格呈两列分布，其中一列为极群室(12)，在所述极群室(12)内放置有极群组(4)并注有电解液，另一列为纯水室(5)，在所述的纯水室(5)内注有纯水或电解液；每个极群组(4)对应一个纯水室(5)，并且在极群组(4)与对应的纯水室(5)之间设有连通导管(6)。
2.根据权利要求1所述的具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，其特征在于：所述的连通导管(6)伸到纯水室(5)底端。
3.根据权利要求1所述的具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，其特征在于：所述极群室(12)的宽度与纯水室(5)宽度的比值在1.30∶1～1.98∶1之间。
4.根据权利要求1所述的具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，其特征在于：在所述极群室(12)与对应纯水室(5)之间的中间壁(3)底部还设有连通毛细孔(13)。
5.根据权利要求1所述的具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，其特征在于：所述的极群组(4)由正极板与负极板间隔放置而成，所述的正极板的板栅采用铅锑合金制作而成，所述的负极板的板栅采用铅钙合金制作而成；在每个正极板与负极板之间还设置有超细玻璃纤维隔板(9)，且所述的超细玻璃纤维隔板(9)为双层。
6.根据权利要求5所述的具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，其特征在于：所述极群组(4)的极板间距为2.1mm～2.5mm，所述正极板与负极板板栅的网孔密度均为1.7个/cm2～2.3个/cm2。
7.根据权利要求1所述的具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，其特征在于：在所述的电池盖(2)上还外置有安全阀(7)及加液孔，所述安全阀(7)的出气端位于电池盖(2)顶端，且安全阀(7)安装于纯水室(5)顶部，而所述的加液孔位于极群室(12)顶部。
8.根据权利要求1所述的具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，其特征在于：在放置有极群组(4)的相邻两个单格之间的中间壁(3)上还设置有穿孔(8)，而位于两个单格内的极群组(4)通过穿孔(8)穿壁焊接为一体。
9.根据权利要求1所述的具有纯水室的起动用阀控式铅酸蓄电池，其特征在于：所述的电池槽(1)、中间壁(3)与电池盖(2)均采用PP塑料材料制作而成，且所述的电池槽(1)与电池盖(2)热封为一体。
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