TWI841082B - 鉛酸電池極板及其製備方法、與鉛酸電池 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種鉛酸電池極板，其可用於鉛酸電池防止硫酸鉛晶枝成長及提高電池轉化效率，其包括設置以作為電流通道之集電層；二透氣層，分別設置於該集電層之兩側，其中，以具有多孔性結構之非金屬片材以作為該些透氣層之透氣通道，且該第一透氣層係相同於或不同於該第二透氣層。

Description

鉛酸電池極板及其製備方法、與鉛酸電池

本發明有關於電極板構造及其製備方法，尤其關於利用非金屬性質材料製備鉛酸電池中的極板，並涉及了防止極板表面硫酸鉛枝晶成長及提高化成效率之製備工藝。

傳統的鉛酸電池製備中，極板群堆疊完成後，其所浸泡的硫酸水溶液裡與極板發生化學反應，而導致極板中心硫酸濃度低於周圍硫酸濃度，造成中心純水化的問題；極板中心純水化容易使硫酸鉛溶解進入硫酸水溶液中，在後續充放電過程中容易吸引鉛微粒形成鉛枝，並在極板上結晶成長為鉛枝，且會逐漸於極板之間延伸搭橋，最終造成電池短路。

傳統的極板群堆疊方式中，極板之間缺乏足夠的透氣性孔隙，且以連續塗膏製程而論，為避免極板所塗佈之鉛膏沾黏於其他極板或隔離膜等電池組件，而以鉛膏紙包覆於極板表面；然而，當前用於連續塗膏的鉛膏紙並無足夠的透氣性，在硫酸水溶液倒入鉛酸電池中時，與極板反應產生的氣體及熱量並無法通過傳統鉛膏紙快速消散；此外，在高電容量的鉛酸電池中，例如50安時(Ah)或100安時(Ah)以上的鉛酸電池，其極板尺寸較傳統鉛酸電池大，使得極板中心區域與周圍區域的硫酸水溶液不容易透過擴散對流以達到濃度的平衡，而使得在充放電的過程中更容易發生純水化的問題，最終導致硫酸鉛溶解 附著在鉛膏紙或隔離膜上，並進一步吸引鉛微粒成長為鉛晶枝；鉛晶枝持續成長刺穿電池隔離膜，在正負極之間架橋而導致電池短路。

面對前述習知技術問題，一種能夠減少硫酸鉛結晶並抑制鉛晶枝成長的電極板亟待開發，以增加鉛酸電池壽命及工作效能；本發明之一方面在於提供一種鉛酸電池極板，其可用於鉛酸電池防止硫酸鉛晶枝成長及提高電池轉化效率，包括：一集電層，設置以作為電流通道；一第一透氣層，其包括一非金屬片材，設置於該集電層之一側面；一第二透氣層，其包括一非金屬片材，相對於該第一透氣層設置於該集電層之另一側面，其中，該非金屬片材具有多孔性結構以作為該些透氣層之透氣通道，其中，該第一透氣層係相同於或不同於該第二透氣層。

如上所述之鉛酸電池極板，其中，該多孔性結構具有一或多的交織層，該交織層係由複數之經向纖維及複數之緯向纖維交錯編織而得，其中，任一經向纖維及其相交之任一緯向纖維夾角為一銳角或鈍角。

如上所述之鉛酸電池極板，其中，該多孔性結構包括導電材料、耐腐蝕材料或其組合之材料所組成，其中，該導電材料包括一種或多種材料選自由導電聚合物、奈米碳、石墨和石墨烯所組成之群組；該耐腐蝕材料包括一種或多種材料選自由丙綸纖維、乙綸纖維、滌綸纖維、尼龍纖維、芳綸纖維、氯綸纖維、腈綸纖維、黏膠纖維、玻璃纖維、氨綸纖維、聚丙烯酸酯纖維、聚醯亞胺纖維所組成之群組。

如上所述之鉛酸電池極板，該多孔性結構為一編織物其包括以導電長纖維編織而成之編織物、導電長纖維與導電短纖維編織而成之編織物、抗腐蝕長纖維編織而成之編織物、抗腐蝕長纖維與抗腐蝕短纖維編織而成之編 織物、導電長纖維與抗腐蝕長纖維編織而成之編織物、或導電長纖維、導電短纖維與抗腐蝕長纖維、抗腐蝕短纖維編織而成之編織物。

如上所述之鉛酸電池極板，該多孔性結構包括導電材料、耐腐蝕材料或其組合之材料所組成，該導電材料係選自由導電聚合物、奈米碳、石墨和石墨烯所組成之群組，該耐腐蝕材料係玻璃纖維。

本發明之另一目的在於提供一種鉛酸電池，其包括：一電池盒；一極板群，其密封於該電池盒中，其包含有：一隔離膜；一正極板，其係如前所述之鉛酸電池極板，設置於該隔離膜之一側；及一負極板，其係如前所述之鉛酸電池極板，相對於該正極板設置於該隔離膜之另一側；及一電解液，密封於該電池盒中並淹沒該極板群，其溶解有酸性電解質，其中，每一正極板為一隔離膜所包覆。

本發明之再一目的在於提供一種鉛酸電池極板的製備方法，其包括：於一集電層之兩側分別放置一第一非金屬片材及一第二非金屬片材以獲得鉛酸電池極板，其中，該些非金屬片材具有多孔性結構以作為該些透氣層之透氣通道，且該第一透氣層係相同於或不同於該第二透氣層。

如上所述之方法，其中，該多孔性結構具有一或多的交織層，該交織層係由複數之經向纖維及複數之緯向纖維交錯編織而得，其中，任一經向纖維及其相交之任一緯向纖維夾角為一銳角或鈍角

如上所述之方法，其中，在獲得該鉛酸電池極板之前，在獲得該鉛酸電池極板之前，該方法進一步包括加壓該鉛酸電池極板，以使該集電層及該些非金屬片材更為緊密貼合；其中，該加壓方法包括加壓該第一非金屬片材-該集電層-該第二非金屬片材複合物以獲得該鉛酸電池極板。

如上所述之方法，其中，以一滾輪加壓該第一非金屬片材-該集電層-該第二非金屬片材複合物以獲得該鉛酸電池極板。

如上所述之方法，其中，該多孔性結構為一編織物其包括以導電長纖維編織而成之編織物、導電長纖維與導電短纖維編織而成之編織物、抗腐蝕長纖維編織而成之編織物、抗腐蝕長纖維與抗腐蝕短纖維編織而成之編織物、導電長纖維與抗腐蝕長纖維編織而成之編織物、或導電長纖維、導電短纖維與抗腐蝕長纖維、抗腐蝕短纖維編織而成之編織物。

如上所述之方法，其中，該多孔性結構包括導電材料、耐腐蝕材料或其組合之材料所組成，該導電材料係選自由導電聚合物、奈米碳、石墨和石墨烯所組成之群組，該耐腐蝕材料係玻璃纖維。

本發明之另一目的在於提供一種鉛酸電池，其包括：一電池盒；一極板群，其密封於該電池盒中，其包含有：一隔離膜；一正極板，其係如前所述方法所製備之鉛酸電池極板，設置於該隔離膜之一側；及一負極板，其係如前所述方法所製備之鉛酸電池極板，相對於該正極板設置於該隔離膜之另一側；及一電解液，密封於該電池盒中並淹沒該極板群，其溶解有酸性電解質，其中，每一正極板為一隔離膜所包覆。

本發明所提供的鉛酸電池極板，增進了酸電池極板本身的透氣性，能更有效地排放電化學反應所產生的氣體，減少鉛酸電池極板表面的硫化現象，抑制鉛晶枝生成而造成電池短路的結果；此外，非金屬片材中添加導電性材料，更有助於極板之導電性、增加電容量，並提高化成效率，所搭配的耐腐蝕材料具有降低極板中心純水化問題，使得鉛酸電池可以更快速的投入後續應用中，並有助於延長電池壽命。

100:鉛酸電池極板

1001:板群結構

1002:板群結構

1:集電層

2:第一透氣層

3:第二透氣層

200:電池

201:電池盒

202:極板群

A:負極板

A’:負極板

A”:負極板

C:正極板

C’:正極板

E:電解液

S:隔離膜

S’:隔離膜

C’:負極板

NM1:第一非金屬片材

L:鉛網

NM2:第二非金屬片材

RS:原電極板

RSs:電極板條

300:滾輪系統

31:送料裝置

311:卷軸

312:卷軸

32:滾壓裝置

321:第一輥子

322:第二輥子

33:輸送裝置

331:輸送帶

332:第一滾筒

333:第二滾筒

34:餵料裝置

(步驟S1至S3、步驟S1-2)

圖1A係一側視剖面圖以說明鉛酸電池極板之結構；圖1B係一爆炸圖以說明鉛酸電池極板之結構；圖1C至1D係側視剖面圖以說明具有鉛酸電池極板之板群結構；圖2A至2F係說明多孔性結構之多種實施態樣；圖3A係側視剖面圖，用以示例性說明鉛酸電池之結構；圖3B係一立體爆炸圖以說明鉛酸電池極板幾何中心之界定；3D至3E係側視剖面圖，用以示意性說明鉛酸電池極板在工作狀態中的排氣效果；圖4A係一流程圖，說明鉛酸電池極板的製備方法；圖4B係說明以滾輪系統滾壓製造鉛酸電池極板之示例性架構；圖5係實驗例1測試鄰近電極板之電解液濃度變化之採樣點示意圖；圖6A係實施例1之鉛酸電池極板於充放電後的表面結晶觀察圖；圖6B係比較例1之鉛酸電池極板於充放電後的表面結晶觀察圖。

以下藉由數個實施例說明本發明各構件之結構及使用方式，以詳細說明本發明之特色，然該些實施例僅用於說明本發明之核心精神，而非用以限制本發明之實施。

請參閱圖1A，其說明本發明所提供的一種鉛酸電池極板(100)，其可用於鉛酸電池防止硫酸鉛晶枝成長及提高電池轉化效率，包括：一集電層(1)，設置以作為電流通道；一第一透氣層(2)，其包括一非金屬片材，設置於該集電層(1)之一側面；一第二透氣層(3)，其包括一非金屬片材，相對於該第一透氣層設置於該集電層之另一側面，其中，該非金屬片材係具有多孔性結構以作為該些透氣層之透氣通道，且該第一透氣層(2)係相同於或不同於該第二透氣層(3)。

在一般鉛酸電池使用中，在經過電化學反應後，鉛酸電池極板表面產生硫化現象，此一硫化現象難以避免；主要造成硫化現象的原因諸如大電流放電、深度放電、不及時充電、頻繁充電、充電時間過短等；於本實施態樣中，透過增進鉛酸電池極板(100)本身的透氣性，除了在電池充放電過程中，促進排放其產生的氫氣及氧氣，避免掉電池內部產生膨脹壓力而損壞，更可降低鉛酸電池極板(100)表面的硫化現象，抑制硫酸鉛晶枝生成而穿透鄰近的隔離膜。

在多個實施例中，如圖1B所示，該集電層(1)可以為一鉛網(L)，其塗佈有鉛膏(P)，以提高該鉛酸電池極板(100)之導電性能、電容量以及充電性能；具體地，該鉛膏(P)包括但不限於鉛粉、木素磺酸鈉、短纖維硫酸鋇以及碳材料例如碳黑或石墨烯，具體係將前述材料與水、稀硫酸攪拌混和而得；在另一些實施例中，該集電層(1)亦可以為一未化成極板，只要是通過任何未化成工藝製備而得之電極板均可作為集電層(1)，其中未化成工藝係本領域之公知技術，於此不加贅述。

在多個實施例中，如圖1C所示，由前述鉛酸電池極板(100)所構成的板群結構(1001)裡，以該鉛酸電池極板(100)作為負極板(A)，並設置於正極板(C)之一側，其中該正極板(C)與該負極板(A)之間設置有至少一隔離膜(S)。

在另一些實施例中，如圖1D所示，由前述鉛酸電池極板(100)所構成的板群結構(1002)裡，其極板堆疊方式與該板群結構(300)相似，惟該隔離膜(S)以U型的方式包覆該正極板(C)；其中該正極板(C)可以是前述鉛酸電池極板(100)，也可以是任意習知工藝所製備而得之鉛蓄電池極板。

為了提升極板在電化學反應過程中的排氣性質，面對隔離膜(S)一側之透氣層須具備較高的透氣性，較佳地可以該第二透氣層(3)面對該隔離膜(S)設置，其具有較高的透氣性，其大於該第一透氣層(2)；具體來說，前述透氣 性質係以電解液浸泡該鉛酸電池極板(100)浸泡前後之平均濃度所界定，當鄰近該鉛酸電池極板(100)中心處之電解液於浸泡前之平均濃度及浸泡後之平均濃度差異越小，表示該些透氣層(1、2)孔隙性高，並有利於排氣以緩解極板中心純水化問題；相反地，當鄰近該鉛酸電池極板(100)中心處之電解液於浸泡前之平均濃度及浸泡後之平均濃度差異越大，表示該些透氣層(1、2)孔隙性越小，並不利於排氣，從而導致極板中心純水化問題不易排除，使得極板在電化學反應過程中容易生成鉛晶枝。

為了達到上述透氣性質，在多個實施例中，該多孔性結構係纖維編織物，其具有一或多的交織層，該交織層係由複數之經向纖維及複數之緯向纖維交錯編織而得，其中，任一經向纖維及其相交之任一緯向纖維夾角為一銳角或鈍角；具體地，該銳角為任意一個或多個介於0至90度間的角度，且不為0度，該鈍角為任意一個或多個介於90至180度間的角度，但不為90或180度；較佳地，該些經向纖維及該些緯向纖維可以是長纖維、短纖維或其任意之組合；更佳地，藉由長纖維及短纖維任意的交錯編織獲得之交織層上形成有複數大小不一之孔洞，該些孔洞在交織層堆疊形成該多孔性結構的過程中相互連結形成了透氣通道，增進了該多孔性結構的氣體流通性；另一方面，為了避免影響該多孔性結構的氣體流通性，前述多孔性結構的形成過程中不添加任何交聯劑或黏結劑，該些添加劑在製造過程中將填充於通道結構中，導致其透氣性下降。

在上述實施例中，該第一透氣層(2)之厚度介於0.1至0.4公厘之間，該第二透氣層(3)之厚度介於0.1至0.4公厘之間；較佳地，該第一透氣層(2)之厚度介於0.2至0.3公厘之間，該第二透氣層(3)之厚度介於0.2至0.3公厘之間。

於本實施態樣中，為了提高鉛酸電池的化成效率，該非金屬片材以具有高導電性質之導電材料所製備而得，其中，該導電材料可列舉如導電 聚合物、活性碳、奈米碳、石墨或石墨烯，其中該導電聚合物例如該聚乙炔基聚合物、聚對苯乙烯基聚合物、聚苯胺、聚吡咯基聚合物、聚芴基聚合物、聚對伸苯基硫醚、聚吲哚基聚合物、聚咔唑基聚合物、聚薁基聚合物、聚萘基聚合物、聚噻吩基聚合物、聚噻吩亞乙烯基聚合物或等之衍生物；較佳地，該導電材料製成了纖維例如活性碳纖維、奈米碳纖維、石墨纖維或石磨烯纖維，並以該些纖維材料作為經向纖維及緯向纖維交錯編織形成該些交織層。

所謂化成效率係用以評估鉛酸電池在初始充放電中的活化效率，通過對鉛酸電池在首次充電活化後，在正極或負極表面形成鈍化膜，其中正極表面生成的鈍化膜較薄，於下文不列入討論，該層鈍化膜由電解液及電極板摻生化學反應過程中消耗電極板之鉛離子形成，具體如生成硫酸鉛，其形成一阻擋電子及電解液通過之薄膜；化成效率對鉛酸電池的性能相當重要，一般採用定電流定電壓的方式充電，例如0.1C、0.2C或0.3C充電，用以判斷鉛酸電池在定電流充電整體電壓一致性是否符合需求較佳；在化成過程中，鉛酸電池由於電化學反應而產生的氣體，而在特定電壓下，電池負極表面形成鈍化膜，致使電解液還原反應受到抑制，所產生的氣體也迅速下降；電池在化成反映中產生的氣體主要由於電解液和電極表面在初次放電時形成了鈍化膜，電解液中溶劑體系發生了分解，產生氣體。

為了使前述化成反應中產生的氣體能夠快速地自電極板表面排出，該非金屬片材更利用非導電性的耐腐蝕材料與前述導電纖維共同編織而得，其中該耐腐蝕材料可以列舉如丙綸、乙綸、滌綸、尼龍、芳綸、氯綸、腈綸、黏膠、玻璃、氨綸、聚丙烯酸酯、聚醯亞胺；較佳地，該耐腐蝕材料製成了纖維例如丙綸纖維、乙綸纖維、滌綸纖維、尼龍纖維、芳綸纖維、氯綸纖維、腈綸纖維、黏膠纖維、玻璃纖維、氨綸纖維、聚丙烯酸酯纖維或聚醯亞胺纖維，並以該些耐腐蝕纖維材料作為經向纖維及緯向纖維交錯編織形成該些交 織層，或以該些耐腐蝕纖維材料作為經向纖維及以該些導電纖維材料作為緯向纖維交錯編織形成該些交織纖維，並不限於此。

請參閱圖2A至2F，其列舉了該多孔性結構之數種實施態樣，其分別為以導電長纖維編織而成之編織物(圖2A)、導電長纖維與導電短纖維編織而成之編織物(圖2B)、抗腐蝕長纖維編織而成之編織物(圖2C)、抗腐蝕長纖維與抗腐蝕短纖維編織而成之編織物(圖2D)、導電長纖維與抗腐蝕長纖維編織而成之編織物(圖2E)、或導電長纖維、導電短纖維與抗腐蝕長纖維、抗腐蝕短纖維編織而成之編織物(圖2F)，並不以此為限。

在一些具體實施例中，該非金屬片材包括有1.00至5.50wt%之該導電纖維與0.10至2.00wt%之該耐腐蝕材料，較佳地為1.50至5.00wt%之該導電纖維與0.20至1.50wt%之該耐腐蝕材料，更佳地為1.80至4.70%之該導電纖維與0.25至1.25wt%之該耐腐蝕材料。

本發明之另一實施方式為提供一種鉛酸電池(200)，如圖3A所示，其包括：一電池盒(201)；一極板群(202)，其密封於該電池盒(201)中，包含有：一隔離膜(S)；一正極板(C)，設置於該隔離膜(S)之一側，其係如前所述之鉛酸電池極板(100)；一負極板(A)，相對於該正極板(C)設置於該隔離膜(S)之另一側，其係如前所述之鉛酸電池極板(100)；及一電解液(E)，其密封於該電池盒(201)中並淹沒該極板群(202)。

在一些具體實施例中，該電解液(E)為一水性酸溶液，常見的為硫酸水溶液，較佳地為30至40wt%之硫酸水溶液；請參閱圖3B，為該鉛酸電池(200)之另一實施例，其構件如前所述，惟其中該正極板(C)之相對於該負極板(A)的另一側更設有另一負極板(A’)，於該負極板(A’)相對於該正極板(C)之另一側更設有另一正極板(C’)，其如前所述之鉛酸電池極板(100)，且於該另一正極板(C’)相對於該負極板(A’)之另一側更設有另一負極板(A”)，其如前所述之鉛酸 電池極板(100)，且不限於此，可依需求依前述設置方式重複地、交錯地堆疊極板及隔離膜，以獲得更大電容量之電池(200)。

於該些實施例中，較佳地，每一正極板(C、C’)之兩側為該隔離膜(S)所包覆，以與相鄰之負極板隔離。

須說明的是，本發明所提供的鉛酸電池之中，在製造過程中，極板中心純水化程度較傳統鉛酸電池為低；換言之，其極板中心處電解液濃度與極板周邊處電解液濃度差距較傳統鉛酸電池小；所謂中心處為該些極板與電解液接觸面之幾何中心處，所謂周邊處為界定該些極板範圍之最外緣處；當可理解的是，電極板的形狀並無特別限制，可以為方形、圓形或任意多邊形，而所謂中心處之界定只要符合幾何學關於多邊形幾何中心之定義即可；如圖3C所示，於此示例中電極板為一矩形，所謂中心處即為二對角線之交叉處，所謂周邊處即為鄰近該電極板之外周邊；在一些實施例中，於鄰近該電極板中心處，該電解液溶解有第一濃度之酸性電解質，於鄰近該電極板之周邊處，該電解液溶解有第二濃度之酸性電解質，且該第一濃度小於或等於該第二濃度，其中，該第一濃度與該第二濃度之比值為1：(1至1.04)；更佳地，該第一濃度與該第二濃度之比值為1：(1至1.03)。

請參閱圖3D至3E，其分別說明本發明所提供之鉛酸電池極板(100)在充放電反應時所產生的排氣方式，及傳統鉛酸電池中極板的排氣方式；如圖3D所示，該鉛酸電池極板(100)由於具備兩層透氣層，係由纖維材料編織而成的非金屬材料所構成，在隔離膜(S)與集電層(1)之間提供了優良的排氣通道，使得充放電反應中產生的氣體(G)能快速排出，並減少熱量的累積，降低了電極板的消耗；反觀傳統的鉛酸電池所用的極板，如圖3E所示，在缺乏由纖維材料編織而成排氣通道下，充放電反應中的產生的氣體(G)排出較慢，並容易在極板的中心區域由氫、氧反應產生純水化，進一步使得還原反應後產生的硫酸鉛容 易結晶堆疊於中心區域附近，最後結晶生成的晶枝逐漸刺穿隔離膜(S)而發生電池短路的情形。

本發明之另一實施方式為提供一種電極板的製備方法，如圖4A所示，其包括：步驟S1：於一集電層之兩側分別放置一第一非金屬片材(NM1)及一第二非金屬片材(NM1)以獲得鉛酸電池極板(100)，其中，該些非金屬片材具有多孔性結構以作為該些透氣層之透氣通道，且該第一透氣層係相同於或不同於該第二透氣層。

在一些實施例中，該方法進一步包括：步驟S1-2：加壓該鉛酸電池極板(100)，其中，該加壓處理可以是擠壓、滾壓、或藉由壓合機進行，以使該鉛酸電池極板(100)中的集電層與該些非金屬片材更為緊密貼合。

再請參閱圖4B，其藉一示例以說明該鉛酸電池極板(100)之滾輪連續製程；於此示例中，原電極板(RS)通過一滾輪系統(300)滾壓而製成一電極板條(RSs)，其中該滾輪系統(300)包括送料裝置(31)、滾壓裝置(32)及輸送裝置(33)；該送料裝置(31)輸送一鉛網(L)至該輸送帶(331)上，第一非金屬片材(NM1)由該送料裝置(31)自其卷軸(311)放出到該輸送帶(331)及該鉛網(L)之間；進一步地，由該第一輥子(321)將該鉛網(L)及該第一非金屬片材牢實地壓在該第一滾筒(332)上的輸送帶(331)上；第二非金屬片材(NM2)為了鋪設到該鉛網(L)之頂側自其卷軸(312)輸送至該鉛網(L)上，隨後藉由第二輥子(322)，由上而下依序地，將第二非金屬片材(NM2)、鉛網(L)及第一非金屬片材(NM1)牢固地壓實於該第二滾筒(333)上的輸送帶(331)上，然後將壓實的電極板條(RSs)依據需求裁切成鉛酸電池極板(100)。

進一步地，該滾輪系統(300)更包括一餵料裝置(34)用以分配鉛膏(P)至該鉛網(L)上，並注入該鉛膏(P)至每一格柵口(O)中，並穿透該鉛網(L)以填充覆蓋該鉛網(L)之兩側；於此示例中，原電極板(RS)由上至下依序包含第一非金屬片材(NM1)、鉛網(L)/鉛膏(P)、第二非金屬片材(NM2)經由該第二輥子(322)牢固地壓實於該第二滾筒(333)上的輸送帶(331)上，以形成電極板條；隨後，該電極板條(RSs)裁切為單獨之鉛酸電池極板(100)，並妥適地乾燥、儲存、固化後用於組裝鉛酸電池。

在另一些實施例中，請繼續參閱圖4A，該方法進一步包括：步驟S2：噴灑、浸漬、浸泡或灌注硫酸至該些非金屬片材或該鉛酸電極板(100)；及步驟S3：係將前述酸化處置後之該些非金屬片材或該鉛酸電極板(100)於一乾燥溫度下靜置達一乾燥時間以使其乾燥，其中，該乾燥溫度係大於或相等於室溫。

實施例1

準備1未化成極板，其尺寸為高23.9公分、寬16.2公分、厚度0.3公分，及2片厚度為0.2公分之非金屬片材，將該未化成極板置於該2片非金屬片材之間以獲得具有透氣層之電極板，其中該些非金屬片材包含有碳纖維及陶瓷纖維。

比較例1

準備1尺寸為高23.9公分、寬16.2公分、厚度0.3公分之未化成極板。

實驗例1

分別以實施例1及比較例1之電極板作為正極板(C)、負極板(A)，以隔離膜(S)包覆正極板(C)並與負極板(A)相互堆疊成極板群組，並將極板 群組放置於電池盒中製備成鉛酸電池；於電池盒中注滿濃度為1.28M之硫酸水溶液並浸泡40分鐘後，測得硫酸水溶液溫度約為40℃，分別將比重計之探針伸入正極板(C)、負極板(A)之中心處及鄰近極板群周圍處之硫酸水溶液濃度，以觀察鄰近該些極板中心處之硫酸水溶液濃度變化，加以判斷其中心純水化程度；其中，偵測硫酸水溶液濃度之位置如圖5所示，中心處係指電極板之幾何中心點之位置。

由表1可見，相較於硫酸水溶液之初始濃度，實施例1不論作為正極板(C)或負極板(A)，其中心硫酸水溶液之濃度變化量下降比率分別為5.8%、3.3%，相較比較例1之7.1%、4.0%，實施例1之中心硫酸水溶液濃度變化量均小於比較例1，尤其作為正極板(C)時其下降幅度更顯著的小於比較例1。

再者，請參閱表2，與鄰近極板群周圍處之硫酸水溶液濃度相比，實施例1作為正極板(C)或負極板(A)，其鄰近中心處與極板群周圍的濃度比值分別為1.027及1.000，比較例1則為1.034及1.019，實施例1鄰近中心處之濃度與周圍處濃度較為接近，其比值均小於比較例1，顯然地實施例1在添加了非金屬片材後能更加有效維持極板中心處的硫酸水溶液濃度，減緩了極板中心純水化的問題。

實驗例2

分別以實施例1及比較例1所獲得之電極板作為正極板(C)或負極板(A)，並製備成鉛酸電池；經由0.17C定電流充電後以0.25C定電流放電，並循環充放3次；其後，觀察該些極板表面是否有硫酸鉛晶枝成長的情形；由圖6A可見，實施例1之極板表面經過循環充放電後並無表面硫酸鉛晶枝成長，其隔離膜(S)仍呈現原色，且無任何結晶穿透的現象；而由圖6B可見，比較例1之極板表面經過循環充放電後有明顯的硫酸鉛晶枝成長，並穿透了隔離膜(S)，在隔離膜上呈現深灰色的帶狀樣貌。

本發明所提供的鉛酸電池極板，利用非金屬纖維編織的片材取代傳統鉛膏紙，增進了鉛酸電池極板本身的透氣性；在電池充放電過程中，相較於以傳統鉛膏紙製造的電極板，能更有效地排放電化學反應所產生的氣體，令鄰近極板周圍之電解液能夠更加快速地朝鄰近極板中心處流動，使極板中心處電解質濃度下降速度減緩，降低極板中心處純水化的現象，同時也避免掉電池內部產生膨脹壓力而損壞，並減少了鉛酸電池極板表面的硫化現象，抑制鉛晶枝生成而造成電池短路的結果。

本發明所提供的鉛酸電池極板，非金屬片材中添加導電性材料，除了獲得傳統鉛膏紙所沒有的排氣效果，更有助於極板之導電性，並增加了電容量；導電性增加的同時，也提高鉛酸電池的化成效率，使得鉛酸電池可以更快速的投入後續應用中；此外，由於極板表面不容易產生硫化現象，能在多次循環充放電後，穩定的維持工作面積，電池工作效率在長時間使用後不易衰退，拉長了電池壽命。

本發明所提供的鉛酸電池極板，非金屬片材之纖維非垂直紡織方式編成，除了創造更多有利於電解液流動之通道外，在導電性材料之外添加的非導電纖維材料更有助於減緩極板中心純水化問題。

100:鉛酸電池極板

1:集電層

2:第一透氣層

3:第二透氣層

Claims (8)

1. 一種鉛酸電池極板，其可用於鉛酸電池防止硫酸鉛晶枝成長及提高電池轉化效率，包括：一集電層，設置以作為電流通道；一第一透氣層，其包括一非金屬片材，設置於該集電層之一側面，其厚度介於0.2至0.4公厘之間；及一第二透氣層，其包括一非金屬片材，相對於該第一透氣層設置於該集電層之另一側面，其厚度介於0.2至0.4公厘之間，其中，該非金屬片材具有多孔性結構以作為該些透氣層之透氣通道，其中，該多孔性結構為一編織物包括以導電長纖維編織而成之編織物、導電長纖維與導電短纖維編織而成之編織物、抗腐蝕長纖維編織而成之編織物、抗腐蝕長纖維與抗腐蝕短纖維編織而成之編織物、導電長纖維與抗腐蝕長纖維編織而成之編織物、或導電長纖維、導電短纖維與抗腐蝕長纖維、抗腐蝕短纖維編織而成之編織物，其中，該第一透氣層係相同於或不同於該第二透氣層，且該第二透氣層之透氣性大於該第一透氣層之透氣性。
2. 如請求項1所述之鉛酸電池極板，其中，該多孔性結構具有一或多的交織層，該交織層係由複數之經向纖維及複數之緯向纖維交錯編織而得，其中，任一經向纖維及其相交之任一緯向纖維夾角為一銳角或鈍角。
3. 如請求項1所述之鉛酸電池極板，其中，該多孔性結構包括導電材料、耐腐蝕材料或其組合之材料所組成，其中，該導電材料包括一種或多種材料選自由導電聚合物、奈米碳、石墨和石墨烯所組成之群組；該耐腐蝕材料包括一種或多種材料選自由丙綸纖維、乙綸纖維、滌綸纖維、尼龍纖維、芳 綸纖維、氯綸纖維、腈綸纖維、黏膠纖維、玻璃纖維、氨綸纖維、碳纖維、聚丙烯酸酯纖維、聚醯亞胺纖維所組成之群組。
4. 一種鉛酸電池，其包括：一電池盒；一極板群，其密封於該電池盒中，其包含有：一隔離膜；一正極板，其係如請求項1至3任一項所述之鉛酸電池極板，設置於該隔離膜之一側；及一負極板，其係如請求項1至3任一項所述之鉛酸電池極板，相對於該正極板設置於該隔離膜之另一側；及一電解液，密封於該電池盒中並淹沒該極板群，其溶解有酸性電解質。
5. 一種鉛酸電池極板的製備方法，其包括：於一集電層之兩側分別放置一第一非金屬片材及一第二非金屬片材以分別形成一第一透氣層與一第二透氣層，以獲得鉛酸電池極板，其中：該第一非金屬片材之厚度介於0.2至0.4公厘之間，該第二非金屬片材之厚度介於0.2至0.4公厘之間，且該第一非金屬片材與該第二非金屬片材具有多孔性結構以作為該些透氣層之透氣通道，其中：該多孔性結構為一編織物包括以導電長纖維編織而成之編織物、導電長纖維與導電短纖維編織而成之編織物、抗腐蝕長纖維編織而成之編織物、抗腐蝕長纖維與抗腐蝕短纖維編織而成之編織物、導電長纖維與抗腐蝕長纖維編織而成之編織物、或導電長纖維、導電短纖維與抗腐蝕長纖維、抗腐蝕短纖維編織 而成之編織物，且該第一透氣層係相同於或不同於該第二透氣層，該第二透氣層之透氣性大於該第一透氣層之透氣性。
6. 如請求項5所述之方法，其中，該多孔性結構具有一或多的交織層，該交織層係由複數之經向纖維及複數之緯向纖維交錯編織而得，其中，任一經向纖維及其相交之任一緯向纖維夾角為一銳角或鈍角。
7. 如請求項5所述之方法，其中，在獲得該鉛酸電池極板之前，該方法進一步包括加壓該該鉛酸電池極板，以使該集電層及該些非金屬片材更為緊密貼合。
8. 一種鉛酸電池，其包括：一電池盒；一極板群，其密封於該電池盒中，其包含有：一隔離膜；一正極板，其係如請求項5至7任一項所述之方法製備之鉛酸電池極板，設置於該隔離膜之一側；及一負極板，其係如請求項5至7任一項所述之方法製備之鉛酸電池極板，相對於該正極板設置於該隔離膜之另一側；及一電解液，密封於該電池盒中並淹沒該極板群，其溶解有酸性電解質。

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