CN207504127U

CN207504127U - 一种三端子电场效应型铅酸蓄电池

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Publication number: CN207504127U
Application number: CN201720764732.7U
Authority: CN
Inventors: 郭建国; 张叶红; 王兵
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2018-06-15
Anticipated expiration: 2027-06-28

Abstract

本实用新型公开了一种三端子电场效应型铅酸蓄电池。该蓄电池包括塑料外壳，负极板、隔板、电解液、绝缘电场栅板、正极板、正极端子、电场端子、负极端子，所述塑料外壳内装有电解液，所述负极板、正极板、间隔板和绝缘电场栅板浸在电解液中，所述负极板引出负极端子，正极板引出正极端子，所述隔板内设有绝缘电场栅板，所述绝缘电场栅板引出电场端子。充电时，电场电源的负极连接电场端子，正极连接铅酸蓄电池的正极端子；充电稳压电源的正极连接铅酸蓄电池的正极端子，负极连接铅酸蓄电池的负极端子；放电时，场电源的负极连接电场端子，正极连接铅酸蓄电池的负极端子。该蓄电池快速充电，且延长铅酸蓄电池的使用寿命。

Description

一种三端子电场效应型铅酸蓄电池

技术领域

本实用新型属于蓄电池制备领域，具体涉及一种三端子电场效应型铅酸蓄电池。

背景技术

当前国内外的铅酸蓄电池，无论是开口式、富液免维护式、玻璃丝棉隔板吸附式阀控密封型（AGM）、阀控胶体型(GEL)等几大类铅酸蓄电池，都是采用正极、负极两端子的二次电池，其充电和放电过程都是通过电化学反应完成的。铅酸蓄电池正极活性物质是二氧化铅，负极活性物质是海绵铅，电解质是稀硫酸电解溶液或胶体电解质。放电化学反应为二氧化铅、海绵铅与电解质反应生成硫酸铅和水。充电化学反应为硫酸铅和水转化为二氧化铅、海绵铅与稀硫酸电解质。铅酸蓄电池单体额定电压为2.0V。

放电总反应:Pb+PbO₂+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O

充电总反应:2PbSO₄+2H₂O=Pb+PbO₂+2H₂SO₄

从充电总反应式可看出，充电过程中存在水分解反应，当正极充电到70％时，开始析出氧气，负极充电到90％时开始析出氢气，由于氢氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合得用，电池就会失水干涸；对于早期的传统式铅酸蓄电池，由于氢氧气的析出及从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的重要原因；而阀控式铅酸蓄电池或胶体铅酸蓄电池能在电池内部对氧气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄电池的主要缺点。由于铅酸蓄电池制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，研究发现，电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响相对较少。也就是说，绝大多数的铅酸蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，电解质等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。一般单体蓄电池的平衡电动势值为2V，而充电的电压为2.4V。在给蓄电池充电过程中，充电电压值超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。

1）欧姆极化，是充电过程中，正负离子向两极迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加超过热力学平衡值的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。

2）浓度极化，是电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部的电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。

3）电化学极化，是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。

本发明人已申请的专利，申请号200910264227.6，名称为电场型二次电池组快速充电智能均衡管理装置，包括若干电场型二次电池，每个电场型二次电池中，在离子交换隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，该正极材料与负极材料均设置在电解质中，所述正极材料与负极材料分别与电池的正极、负极端子连接，在所述正极材料和负极材料的外侧分别设有电场极板对，正极材料与电场A极板之间电绝缘，负极材料与电场B极板之间电绝缘；其特征是，若干电场型二次电池组成电池组，电池组与微处理器电量采集与充放电电场控制单元连接，组成电场型二次电池控制单元BCU，其中，所述微处理器电量采集与充放电电场控制电路，采用多路A/D转换及I2C通信接口的微处理器为核心电路，用于采集多个串连的电场型二次电池的电压、温度，并控制电场型二次电池快速充电时的电场电压；若干个电场型二次电池控制单元BCU通过I2C通讯总线相互连接，组成电场型二次电池组能源控制模块ECU；所述电场型二次电池组能源控制模块ECU中，采用带I2C通信接口、CAN通信接口的微处理器管理控制多个电场型二次电池控制单元BCU；电场型二次电池组能源控制模块ECU中的微处理器通过CAN现场总线接口与中央电控系统连接。本发明所述的电场型二次电池组快速充电智能均衡管理装置结构，也可以由多个电场型二次电池组能源控制模块ECU串联或并联，并通过CAN现场总线接口与其它领域应用的中央电控系统连接，形成其它领域使用的超大型储能电堆电场型二次电池组快速充电智能均衡管理装置；中央电控系统可以管理控制大于127个电场型二次电池组能源控制模块ECU，总体可管理电场型二次电池数大于127×(125×4)＝63500个。

本发明人已申请的专利，申请号200910032914.5，名称为内置可控电场的二次电池及其快速冲放电方法，该二次电池在离子交换隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，该正极材料与负极材料均设置在电解质中，所述正极材料与负极材料分别与电池的正极、负极连接，其特征在于，在该内置可控电场的二次电池中设置有一个内置电隔离的电场极板对，该电场极板对中的A极板设置在所述电池正极的外侧，并与该电池正极绝缘；该电场极板对中的B极板设置在所述电池负极的外侧，并与该电池负极绝缘。本发明客服了现有电池内部导电性差、低温性能差，且无法提供快速充放电特性，使电池放电长时间维持在高电位，且明显缩短充时间，延长电池使用寿命。

特别指出的是上述两篇专利的主要特征：是针对二次电池中的正极材料和负极材料的外侧分别设有电隔离的电场极板，或者说，上述两篇专利都不是在二次电池的离子交换隔膜中加装电隔离的电场极板。

而本发明专利的主要特征：是针对铅酸蓄电池的隔板中加装绝缘电场栅板，所组成的新型三端子电场效应型铅酸蓄电池。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，该蓄电池能快速充电，且能延长铅酸蓄电池的使用寿命。

一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，包括塑料外壳，负极板、隔板、电解液、绝缘电场栅板、正极板、正极端子、电场端子、负极端子，所述塑料外壳内装有电解液，所述负极板、隔板和正极板浸在电解液中，且隔板位于正极板和负极板之间，所述负极板引出负极端子，正极板引出正极端子，所述隔板内设有绝缘电场栅板，所述绝缘电场栅板引出电场端子，所述绝缘电场栅板浸在电解液中与电解液电气隔离。

作为改进的是，所述隔板的材料为玻璃纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或微孔橡胶；所述负极板的材料为海绵铅；所述正极板的材料为二氧化铅；所述电解液为气相二氧化硅或以硫酸为溶质的胶体电解液。

作为改进的是，所述绝缘电场栅板采用柔性印刷电路制成或采用耐酸塑料包裹铜线的绝缘导线编制而成。

进一步作为改进的是，所述绝缘电场栅板的厚度≤0.5mm，且由上而下依次包括上基板、第一接着剂层、铜箔层、第二接着剂层、下基板；所述铜箔层上端设有铜箔层极耳，正面上蚀刻有网格电路或栅格电路。

进一步改进的是，上基板、铜箔层网格电路、下基板，相对应均匀分布有小圆通孔；或上基板、铜箔层栅格电路、下基板，相对应均匀分布有长条形小通孔。

进一步改进的是，所述上基板和下基板均为厚度≤0.2mm的聚酰亚胺PI薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚酯薄膜、聚丙烯薄膜、碳氟化合物薄膜或芳香族聚酸胺薄膜；所述铜箔层的厚度≤0.07mm；所述第一接着剂层和第二接着剂层的材料为耐酸绝缘热固胶。

进一步改进的是，所述绝缘导线的绝缘层的厚度≥0.15mm，材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯；绝缘导线直径≤0.7mm。

进一步改进的是，所述绝缘导线间的间隙宽度≤0.5mm。

所述绝缘电场栅板用于二次电池的离子交换隔膜内。

上述一种三端子电场效应型铅酸蓄电池的充放电方法，充电时，电场电源的负极连接电场端子，正极连接铅酸蓄电池的正极端子；充电稳压电源的正极连接铅酸蓄电池的正极端子，负极连接铅酸蓄电池的负极端子；放电时，场电源的负极连接电场端子，正极连接铅酸蓄电池的负极端子。

有益效果

本实用新型三端子电场效应型铅酸蓄电池充电时，是由充电稳压电源V2和电场电源V1同时提供；单独对负载放电，也可由电场电源V1提供相反的电场，完成低温下-30℃对负载3C大电流有效放电。

附图说明

图1为本实用新型的三端子电场效应型铅酸蓄电池的示意图，其中，1-电池外壳、2-负极板、3-隔板、4-电解液、5-绝缘电场栅板、6-正极板、7-正极端子、8-电场端子、9-负极端子；

图2为本实用新型的一种印刷网格状电路的绝缘电场栅板厚度结构图，其中，上基板10，第一接着剂层11，铜箔层极耳12，第二接着剂层13，下基板14，带网格电路的铜箔层15。

图3为绝缘电场栅板平剖面图，其中，（a）为上基板的结构图，上基板10，上基板小孔10-1，（b）为带铜箔层的下基板的结构图，铜箔层极耳12，下基板14，（c）为带铜箔层网格的下基板的放大图，下基板小孔14-1，带网格电路的铜箔层15。

图4为本实用新型的一种印刷栅条状电路的绝缘电场栅板剖面图，（a）为上基板的结构图，上基板10，上基板小孔10-1，（b）为带铜箔层栅格的下基板的结构图，铜箔层极耳12，下基板14，（c）为带铜箔层的下基板的放大图，下基板小孔14-1，带栅格电路的铜箔层16。

图5为本实用新型的一种带绝缘层的导线编制的电场栅结构图；

图6为三端子电场效应型铅酸蓄电池充放电工作原理图，其中（a）为三端子电场效应型铅酸蓄电池放电工作原理图，（b）三端子电场效应型铅酸蓄电池充电工作原理图；

图7为三端子电场效应型铅酸蓄电池充放电电路原理图；

图8为本实用新型的电场效应型铅酸蓄电池的电路符号1A。

具体实施方式

实施例1

如图1和图8所示，一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，包括塑料外壳1，负极板2、隔板3、电解液4、绝缘电场栅板5、正极板6、正极端子7、电场端子8、负极端子9，所述塑料外壳1内装有电解液4，所述负极板2、隔板3和正极板6浸在电解液4中，且隔板3位于正极板6和负极板2之间，所述负极板2引出负极端子9，正极板6引出正极端子7，所述隔板3内设有绝缘电场栅板5，所述绝缘电场栅板5引出电场端子8。

所述负极板2的材料为海绵铅，正极板6的材料为活性物质二氧化铅，电解液为稀硫酸溶液，所述隔板3的材料为超细玻璃纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或微孔橡胶中的一种。

如图2和图3所示，本实施例1绝缘电场栅板采用柔性印刷电路制成，其中图2为实施例1绝缘电场栅板厚度结构图，图3为绝缘电场栅板的剖面图，其中，（a）为上基板的结构图，(b)为带铜箔层的下基板的结构图，（c）为带铜箔层网格的下基板的放大图。绝缘电场栅板是由上而下依次为上基板10、第一接着剂层11、第二接着剂层13、下基板14、带网格电路的铜箔层15，各层紧贴加压热封成一体的板；所述上基板10上设有均匀分布的上基板小孔10-1，下基板14上设有均匀分布的下基板小孔14-1，所述上基板小孔10-1和下基板小孔14-1位置上一一对应，所述绝缘电场栅板5通过带网格电路的铜箔层15上的铜箔层极耳12接线引出电场端子8。绝缘电场栅板5整体在铅酸电池的电解液中电气隔离。

所述带网格电路的铜箔层15的厚度≤0.07mm，每个网格中心与上基板小孔10-1和下基板小孔14-1相对应，上基板小孔10-1和下基板小孔14-1的孔直径小于网格直径，电解液在孔中与带网格电路的铜箔层15电气隔离。

实施例2

如图4所示，本实施例2绝缘电场栅板也是采用柔性印刷电路制成，实施例2绝缘电场栅板厚度结构与实施例1相同，所不同的是（a）上基板的结构图中，上基板小条形孔10-1；（b）为带铜箔层的下基板的结构图，铜箔层极耳12，下基板14，带栅格电路的铜箔层16；（c）是带铜箔层的下基板的放大图，其中，下基板小条形孔14-1，带栅格电路的铜箔层16；绝缘电场栅板是由上而下依次为上基板10、第一接着剂层11、第二接着剂层13、下基板14、带栅格电路的铜箔层16，各层紧贴加压热封成一体的板；所述上基板10上设有均匀分布的上基板小条形孔10-1，下基板14上设有均匀分布的下基板小条形孔14-1，所述上基板小条形孔10-1和下基板小条形孔14-1位置上一一对应，所述绝缘电场栅板5通过带栅格电路的铜箔层16上的铜箔层极耳12接线引出电场端子8。绝缘电场栅板5整体在铅酸电池的电解液中电气隔离。

所述带栅格电路的铜箔层16的厚度≤0.07mm，每个网格中心与上基板小孔10-1和下基板小孔14-1相对应，上基板小孔10-1和下基板小孔14-1的孔直径小于网格直径，电解液在孔中与带栅格电路的铜箔层16电气隔离。

所述上基板小孔10-1和下基板长条孔14-1为长条通孔。

实施例3

如图5所示，实施例3中绝缘电场栅板的结构图，本实施例绝缘电场栅板采用耐酸塑料包裹铜线的绝缘导线编制成栅条状，绝缘导线中17是导线、16是包裹导线的绝缘层。

所述包裹导线的绝缘层的厚度≥0.15mm，材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯；绝缘导线直径≤1.0mm。

所述绝缘导线间的间隙宽度≤0.5mm。

实施例4

如图6所示，本实用新型三端子电场效应型铅酸蓄电池充放电工作原理图，其中，（a）为三端子电场效应型铅酸蓄电池放电工作原理图，其中R为负载，V1为电场电源，电解液为稀硫酸电解溶液或胶体电解质。V1电场电源的负极连接电场端子8，正极连接铅酸蓄电池的负极端子9，此时铅酸蓄电池的负极端子9和电场端子8有电场电压，同时铅酸蓄电池内部的负极板2和隔板3之间增加了内电场强度，促使阴阳离子的迁移速度、降低了铅酸蓄电池内部欧姆极化，提高了低温环境下使用铅酸蓄电池时的放电特性。电极反应如下：

（b）为三端子电场效应型铅酸蓄电池充电工作原理图，其中V1为电场电源，V2为充电的稳压电源，电解液为稀硫酸电解溶液或胶体电解质。V1电场电源的负极连接电场端子8，正极连接铅酸蓄电池的正极端子7；V2充电稳压电源的正极连接铅酸蓄电池的正极端子7，负极连接铅酸蓄电池的负极端子9；此时铅酸蓄电池的正极端子7和电场端子8有电场电压，同时铅酸蓄电池内部的正极板6和隔板3之间增加了内电场强度，进而在充电时提高了阴阳离子的迁移速度、降低了铅酸蓄电池内部欧姆极化，改善了使得铅酸蓄电池在理想充电电压下，通过改变电场电压或波形提高充电电流，进而改善了电极表面到隔板的电解液浓度分布以及电化学反应的速度，增加了铅酸蓄电池的充放电次数，延长了使用寿命。电极反应如下：

本实用新型三端子电场效应型铅酸蓄电池充放电电路图，如图6所示。其中K1、K2为三挡位开关；当K1、K2开关在1档位时，此时铅酸蓄电池对负载R充放；当K1、K2开关在3档位时，电场电源V1改变电场电压或波形，由充电稳压电源V2在理想电压下，为铅酸蓄电池充电。

Claims

1.一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，其特征在于，包括塑料外壳，负极板、隔板、电解液、绝缘电场栅板、正极板、正极端子、电场端子、负极端子，所述塑料外壳内装有电解液，所述负极板、隔板和正极板浸在电解液中，且隔板位于正极板和负极板之间，所述负极板引出负极端子，正极板引出正极端子，所述隔板内设有绝缘电场栅板，所述绝缘电场栅板引出电场端子，所述绝缘电场栅板浸在电解液中与电解液电气隔离。

2.根据权利要求1所述的一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，其特征在于，所述隔板的材料为玻璃纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或微孔橡胶；所述负极板的材料为海绵铅；所述正极板的材料为二氧化铅；所述电解液为气相二氧化硅或以硫酸为溶质的胶体电解液。

3.根据权利要求1所述的一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，其特征在于，所述绝缘电场栅板采用柔性印刷电路制成或采用耐酸塑料包裹铜线的绝缘导线编制而成。

4.根据权利要求3所述的一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，其特征在于，所述绝缘电场栅板的厚度≤0.5mm，且由上而下依次包括上基板、第一接着剂层、铜箔层、第二接着剂层、下基板；所述铜箔层上端设有铜箔层极耳，正面上蚀刻有网格电路或栅格电路。

5.根据权利要求4所述的一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，其特征在于，上基板、铜箔层网格电路、下基板，相对应均匀分布有小圆通孔；或上基板、铜箔层栅格电路、下基板，相对应均匀分布有长条形小通孔。

6.根据权利要求4所述的一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，其特征在于，所述上基板和下基板均为厚度≤0.2mm的聚酰亚胺PI薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚酯薄膜、聚丙烯薄膜、碳氟化合物薄膜或芳香族聚酸胺薄膜；所述铜箔层的厚度≤0.07mm；所述第一接着剂层和第二接着剂层的材料为耐酸绝缘热固胶。

7.根据权利要求3所述的一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，其特征在于，所述绝缘导线的绝缘层的厚度≥0.15mm，材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯；绝缘导线直径≤0.7mm。

8.根据权利要求7所述的一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，其特征在于，所述绝缘导线间的间隙宽度≤0.5mm。

9.根据权利要求3所述的一种三端子电场效应型铅酸蓄电池，其特征在于，所述绝缘电场栅板用于二次电池的离子交换隔膜内。