專利名稱：一種三維雙極型高功率鉛蓄電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種三維雙極型高功率鉛蓄電池
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及蓄電池，特別涉及一種三維雙極型高功率鉛蓄電池。背景技術(shù)：
電動自行車是電動車的起點，電源仍是首要問題，每輛電動自行車用1組360wh的鉛蓄電池，重約為12. 5kg，行程大約50公里。輕型電動摩托是電動自行車的必然后繼產(chǎn)品， 它的動力功率約為電動自行車的2 5倍，而一臺時速60Km/h，運行里程在IOOkm以上的微 型電動汽車則需要的常規(guī)鉛酸蓄電池約為9000wh，重量約為250kg，這一重量相當(dāng)于搭載4 個人的總量，也就是說這樣的電動車幾乎成為人和電池的運輸車。普通鉛酸蓄電池在純電 動車上使用僅僅適用于微型、低速、短距離行駛的代步車和定距離物流車?；旌蟿恿ζ囈缶邆涓吖β食潆姾透吖β史烹姽δ?，要求正常工作充、放電倍 率達(dá)到5C 20C，甚至更高的倍率，并且還必須具備優(yōu)良的高、低溫性能以及長壽命等特 性?；旌蟿恿﹄妱悠噭t很難有普通鉛酸蓄電池使用的機會。大多數(shù)人都把希望寄托在鎳氫電池和鋰離子電池上，但是，由于鋰離子電池價格 是鉛酸蓄電池的4 6倍，并且技術(shù)不太成熟，并且配套體系沒有良好建立，還有較長的路 要走。因此，開發(fā)一種高功率、重量輕、長壽命的鉛酸蓄電池是目前純電動汽車、混合動力電 動汽車的重要技術(shù)路線。專利200610171301. 6公開了電動汽車用長壽面高容量雙極型極板鉛酸電池，由 雙極型極板、上端極板、下端極板、隔板組成極群，極群安裝在電池框架內(nèi)，電池框架緊壓極 板群，給于活性物質(zhì)一個適當(dāng)?shù)膲毫?，雙極型極板基板采用耐酸金屬如鈦、不銹鋼、鉛及鈦 合金、鉛合金等，經(jīng)壓鑄成形，基片正極一面設(shè)有導(dǎo)電針，負(fù)極一面設(shè)有導(dǎo)電柱，表面修飾有 機導(dǎo)電層，并且噴涂P-PbO2，使0寸1302進(jìn)入有機導(dǎo)電層，固化后填涂鉛膏制作成雙極型極 板。該發(fā)明電池比容量45 50wh/kg比常規(guī)電池提高了 20 30%，設(shè)計壽命3 8年。 該發(fā)明采用產(chǎn)品性能有了很大提高，但是，其基片采用鈦、鈦合金等貴稀有貴重金屬，成本 仍然比較高，并且這些金屬制成的雙極型極板，鉛膏與基板結(jié)合不牢固，容易在使用過程中 造成活性物質(zhì)脫落等故障，同時所用極板用金屬制作在稀硫酸以及電化學(xué)條件下金屬腐蝕 仍然很快，很難達(dá)到設(shè)計的性能要求，并且，這種極板厚度受到基板厚度的限制，單片雙極 型極板容量受到局限。Firefly Energy公司正在開發(fā)的突破性專利技術(shù)-鉛炭超級電池，該技術(shù)的要點 在于傳統(tǒng)鉛酸電池內(nèi)的鉛板柵用新型炭材料(多孔結(jié)構(gòu)的泡沫炭)替代，將活性鉛膏復(fù)合 在其孔中。每個炭板柵由兩個泡沫炭片和中間的粘接結(jié)構(gòu)組成，形成夾層以提高泡沫炭片 的強度。泡沫炭片是無定型炭結(jié)構(gòu)或石墨結(jié)構(gòu)(有序/層狀結(jié)構(gòu))，具有大量球形泡沫。氧化鉛漿料浸漬在這種新的板柵材料中，然后將此復(fù)合材料按原有方法制備成海 綿鉛和二氧化鉛。于是，產(chǎn)生了一種獨特的新型電極結(jié)構(gòu)，不僅漿料灌入泡沫孔內(nèi)，而且電 解液也分配到不同于傳統(tǒng)電池單獨貯層的泡沫孔隙內(nèi)，進(jìn)而形成全新的三維電極結(jié)構(gòu)。由于每個三維電極都具有海綿鉛或二氧化鉛和硫酸電解質(zhì)的全部組分，該技術(shù)使得對鉛-酸化學(xué)性能的利用水平得以加強。在傳統(tǒng)鉛酸電池內(nèi)，流體擴(kuò)散是在毫米級距離 的范圍內(nèi)的單一方向上發(fā)生的。而在泡沫炭三維電極結(jié)構(gòu)中，流體擴(kuò)散是在微米級距離的 范圍內(nèi)的所有方向上發(fā)生。與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致更高的比能量、比功率和更快 的充、放電速度，循環(huán)壽命也產(chǎn)生一個飛躍，使鉛酸電池的性能與先進(jìn)材料(鋰和鎳)電池 相當(dāng)，但是能夠以傳統(tǒng)鉛酸電池相近的成本制造，僅為先進(jìn)材料電池成本的五分之一。Firefly現(xiàn)在正在開發(fā)兩種先進(jìn)技術(shù)第一種技術(shù)，采用三維電極技術(shù)作為負(fù)極 板柵，保留傳統(tǒng)的鉛酸電池正極片；第二種更新近的技術(shù)，采用石墨復(fù)合材料作為電池的正 極板柵和負(fù)極板柵。其余結(jié)構(gòu)均沿用傳統(tǒng)鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)，但是，這些技術(shù)中的板柵都是在 粘接材料和泡沫炭層之間的界面處引出一個極耳，導(dǎo)電面積很小，蓄電池內(nèi)阻大，電池的比 容量很低，仍然避免不了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有的弱點。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的就是解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出一種能夠增大導(dǎo)電面積、減 小蓄電池內(nèi)阻、提高比容量，且成本大大降低的三維雙極型高功率鉛蓄電池。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提出了一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，包括蓄電 池槽，所述蓄電池槽內(nèi)設(shè)有N片三維雙極型極板、一片單板三維正極板、一片單板三維負(fù)極 板、膠體電解質(zhì)，所述N =/2-1，所有三維雙極型極板的一側(cè)是單板三維正極板，另 一側(cè)是單板三維負(fù)極板，所述單板三維正極板上連有正極引出端子，單板三維負(fù)極板上連 有負(fù)極引出端子。作為優(yōu)選，所述正極引出端子與蓄電池槽之間設(shè)有正極密封膠，負(fù)極引出端子與 蓄電池槽之間設(shè)有負(fù)極密封膠，所述三維雙極型極板、單板三維正極板和單板三維負(fù)極板 的端部與蓄電池槽之間均設(shè)有邊密封膠。作為優(yōu)選，所述三維雙極型極板包括雙泡沫石墨基片、正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物 質(zhì)，所述雙泡沫石墨基片包括第一致密石墨層，所述第一致密石墨層的兩面分別設(shè)有多孔 泡沫石墨層，其中，一個多孔泡沫石墨層內(nèi)充填有正極活性物質(zhì)形成正極三維電極層，另一 個多孔泡沫石墨層內(nèi)充填有負(fù)極活性物質(zhì)形成負(fù)極三維電極層。作為優(yōu)選，所述雙泡沫石墨基片的兩端還設(shè)有邊框。作為優(yōu)選，所述第一致密石墨層的厚度為0. 2 2mm。作為優(yōu)選，所述正極三維電極層與負(fù)極三維電極層厚度之比為1 0.6 0.95。作為優(yōu)選，所述雙泡沫石墨基片上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0. 01 0. 5mm。作為優(yōu)選，所述單板三維正極板包括單泡沫石墨基片、正極活性物質(zhì)，所述單泡沫 石墨基片包括第二致密石墨層和設(shè)在第二致密石墨層一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡 沫石墨層內(nèi)充填有正極活性物質(zhì)形成單板三維正電極。作為優(yōu)選，所述第二致密石墨層上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0. 01 0. 5mm，第 二致密石墨層的厚度為2 10mm。作為優(yōu)選，所述單板三維負(fù)極板包括單泡沫石墨基片、負(fù)極活性物質(zhì)，所述單泡沫 石墨基片包括第三致密石墨層和設(shè)在第三致密石墨層一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡 沫石墨層內(nèi)充填有負(fù)極活性物質(zhì)形成單板三維負(fù)電極；所述第三致密石墨層上電鍍有鉛錫 合金，鍍層厚度為0. 01 0. 5mm，第二致密石墨層的厚度為2 10mm。[0021]本實用新型的有益效果1.由于采用泡沫石墨作為基片，由無定型石墨結(jié)構(gòu)(有序/層狀結(jié)構(gòu))，具有大量 球形泡沫，具有重量輕、電阻小、活性物質(zhì)為三維結(jié)構(gòu)，與導(dǎo)電界面面積增加約2000倍，利 用率由30 40%提高到80 90%，大大降低了鉛耗用量，提高了比容量，比容量可以達(dá)到 70Wh/kg。2.采用雙極型結(jié)構(gòu)，極板板面面積即為單體之間的導(dǎo)電截面積，單體之間實現(xiàn)最 理想的導(dǎo)電距離(直通)，大大降低了蓄電池內(nèi)阻。3.泡沫石墨基片實際還可以與正極板形成超級電容器，實際相當(dāng)于在蓄電池每個 單格并聯(lián)了一只超級電容器，大大提高了比功率，比功率可達(dá)1000W/kg以上。4.泡沫石墨基片電鍍鉛錫合金，鍍層厚度為0. 01 0. 5mm，與活性物質(zhì)能起到橋 梁作用，提高與活性物質(zhì)的結(jié)合力。同時泡沫石墨基片導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性極好，抑制電池的溫 升，延長了壽命，是蓄電池壽命達(dá)到原來的兩倍以上。5.由于采用泡沫石墨制作基片，取消了板柵，取消了隔板，并且采用三維雙極型極 板結(jié)構(gòu)，利用率大大提高，大大降低了鉛消耗，同時提高了性能，降低了成本。本實用新型的特征及優(yōu)點將通過實施例結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1是本實用新型三維雙極型高功率鉛蓄電池的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型三維雙極型高功率鉛蓄電池中三維雙極型極板的剖視結(jié)構(gòu)示 意圖；圖3是本實用新型三維雙極型高功率鉛蓄電池中單板三維正極板的剖視結(jié)構(gòu)示 意圖；圖4是本實用新型三維雙極型高功率鉛蓄電池中單板三維負(fù)極板的剖視結(jié)構(gòu)示 意圖。
具體實施方式參閱圖1，三維雙極型高功率鉛蓄電池，包括蓄電池槽5，所述蓄電池槽5內(nèi)設(shè)有N 片三維雙極型極板2、一片單板三維正極板1、一片單板三維負(fù)極板4、膠體電解質(zhì)9，所述N =U標(biāo)稱電壓/2-l，所有三維雙極型極板2的一側(cè)是單板三維正極板1，另一側(cè)是單板三維負(fù)極 板4，所述單板三維正極板1上連有正極引出端子10，單板三維負(fù)極板4上連有負(fù)極引出端 子7。其中U標(biāo)稱電壓是指蓄電池的標(biāo)稱電壓。所述正極引出端子10與蓄電池槽5之間設(shè)有 正極密封膠11，負(fù)極引出端子7與蓄電池槽5之間設(shè)有負(fù)極密封膠6，所述三維雙極型極板 2、單板三維正極板1和單板三維負(fù)極板4的端部與蓄電池槽5之間均設(shè)有邊密封膠8，提高 了密封性能。蓄電池槽5還設(shè)有安全閥3，提高了安全性能。參閱圖2，三維雙極型極板2 由雙泡沫石墨基片、正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)組 成，所述雙泡沫石墨基片包括第一致密石墨層14，所述第一致密石墨層14的兩面分別設(shè)有 多孔泡沫石墨層，其中，一個多孔泡沫石墨層內(nèi)充填有正極活性物質(zhì)形成正極三維電極層 13，另一個多孔泡沫石墨層內(nèi)充填有負(fù)極活性物質(zhì)形成負(fù)極三維電極層15。雙泡沫石墨基 片為無定型石墨結(jié)構(gòu)(有序/層狀結(jié)構(gòu))，具有大量球形泡沫。中心層為第一致密石墨層14，厚度約為0. 2 2mm，這一層石墨為無孔致密的石墨層，第一致密石墨層14兩面均為 多孔泡沫石墨層，其中一面較厚，一面較薄，厚度之比大約為1 0.6 0.95，雙泡沫石墨 基片的面積和厚度根據(jù)極板容量大小來設(shè)計，雙泡沫石墨基片電鍍鉛錫合金，鍍層厚度為 0. 01 0. 5mm,正極活性物質(zhì)配料充填到厚度較大的一面多孔石墨層孔中，正極活性物質(zhì) 配料充填到厚度較小的一面多孔石墨層孔中，經(jīng)過固化、化成等過程，使正極一面多孔泡沫 石墨層內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成為Pb02正極活性物質(zhì)，負(fù)極一面多孔泡沫石墨層內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成為 海綿狀Pb負(fù)極極活性物質(zhì)，即制作成為三維雙極型極板2。雙泡沫石墨基片的兩端還設(shè)有 邊框12。參閱圖3，單板三維正極板1 包括單泡沫石墨基片、正極活性物質(zhì)，所述單泡沫石 墨基片包括第二致密石墨層16和設(shè)在第二致密石墨層16 —面的多孔泡沫石墨層，所述多 孔泡沫石墨層內(nèi)充填有正極活性物質(zhì)形成單板三維正電極17。單泡沫石墨基片由石墨經(jīng) 過成孔發(fā)泡技術(shù)制作，一面為第二致密石墨層16，厚度約為2 10mm，這一層石墨為無孔致 密的石墨層，正極引出端子10使用帶螺孔的銅接線端子，與第二致密石墨層16表面連為一 體，另一層由無定型石墨結(jié)構(gòu)(有序/層狀結(jié)構(gòu))，具有大量球形泡沫，厚度與三維雙極型極 板2的正極三維電極層13相同，單泡沫石墨基片電鍍鉛錫合金，鍍層厚度為0. 01 0. 5mm, 正極活性物質(zhì)配料充填到泡沫石墨層孔中，經(jīng)過固化、化成等過程，使正極多孔泡沫石墨層 內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成為Pb02正極活性物質(zhì)，即制作成為單板三維正極板1。參閱圖4，單板三維負(fù)極板4 包括單泡沫石墨基片、負(fù)極活性物質(zhì)，所述單泡沫石 墨基片包括第三致密石墨層18和設(shè)在第三致密石墨層18 —面的多孔泡沫石墨層，所述多 孔泡沫石墨層內(nèi)充填有負(fù)極活性物質(zhì)形成單板三維負(fù)電極19。單泡沫石墨基片由石墨經(jīng)過 成孔發(fā)泡技術(shù)制作，一面為第三致密石墨層18，厚度約為2 10mm，這一層石墨為無孔致密 的石墨層，負(fù)極引出端子7使用帶螺孔的銅接線端子，與第三致密石墨層18表面連為一體， 另一層由無定型石墨結(jié)構(gòu)(有序/層狀結(jié)構(gòu))，具有大量球形泡沫，厚度與三維雙極型極板 2的負(fù)極三維電極層15相同，單泡沫石墨基片電鍍鉛錫合金，鍍層厚度為0. 01 0. 5mm，負(fù) 極活性物質(zhì)配料充填到泡沫石墨層孔中，經(jīng)過固化、化成等過程，使負(fù)極多孔泡沫石墨層內(nèi) 的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成為Pb02負(fù)極活性物質(zhì)，即制作成為單板三維負(fù)極板4。本實施例中的膠體電解質(zhì)9 調(diào)節(jié)膠體電解質(zhì)9中的Si02含量使電解質(zhì)成為網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)，并且可以調(diào)節(jié)其孔徑和孔率，無需隔板隔離。雖然本實用新型已通過參考優(yōu)選的實施例進(jìn)行了圖示和描述，但是，本專業(yè)普通 技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，可作形式和細(xì)節(jié)上的各種各樣變化。
權(quán)利要求一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，包括蓄電池槽，其特征在于所述蓄電池槽內(nèi)設(shè)有N片三維雙極型極板、一片單板三維正極板、一片單板三維負(fù)極板、膠體電解質(zhì)，所述N＝U標(biāo)稱電壓/2-1，所有三維雙極型極板的一側(cè)是單板三維正極板，另一側(cè)是單板三維負(fù)極板，所述單板三維正極板上連有正極引出端子，單板三維負(fù)極板上連有負(fù)極引出端子。
2.如權(quán)利要求1所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特征在于所述正極引出 端子與蓄電池槽之間設(shè)有正極密封膠，負(fù)極引出端子與蓄電池槽之間設(shè)有負(fù)極密封膠，所 述三維雙極型極板、單板三維正極板和單板三維負(fù)極板的端部與蓄電池槽之間均設(shè)有邊密 封膠。
3.如權(quán)利要求1所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特征在于所述三維雙極 型極板包括雙泡沫石墨基片、正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)，所述雙泡沫石墨基片包括第一 致密石墨層，所述第一致密石墨層的兩面分別設(shè)有多孔泡沫石墨層，其中，一個多孔泡沫石 墨層內(nèi)充填有正極活性物質(zhì)形成正極三維電極層，另一個多孔泡沫石墨層內(nèi)充填有負(fù)極活 性物質(zhì)形成負(fù)極三維電極層。
4.如權(quán)利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特征在于所述雙泡沫石 墨基片的兩端還設(shè)有邊框。
5.如權(quán)利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特征在于所述第一致密 石墨層的厚度為0. 2 2_。
6.如權(quán)利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特征在于所述正極三維 電極層與負(fù)極三維電極層厚度之比為1 0.6 0.95。
7.如權(quán)利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特征在于所述雙泡沫石 墨基片上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0. 01 0. 5mm。
8.如權(quán)利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特征在于所述單板三維 正極板包括單泡沫石墨基片、正極活性物質(zhì)，所述單泡沫石墨基片包括第二致密石墨層和 設(shè)在第二致密石墨層一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡沫石墨層內(nèi)充填有正極活性物質(zhì) 形成單板三維正電極。
9.如權(quán)利要求8所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特征在于所述第二致密 石墨層上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0. 01 0. 5mm，第二致密石墨層的厚度為2 10mm。
10.如權(quán)利要求9所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特征在于所述單板三維 負(fù)極板包括單泡沫石墨基片、負(fù)極活性物質(zhì)，所述單泡沫石墨基片包括第三致密石墨層和 設(shè)在第三致密石墨層一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡沫石墨層內(nèi)充填有負(fù)極活性物質(zhì) 形成單板三維負(fù)電極；所述第三致密石墨層上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0. 01 0. 5mm, 第二致密石墨層的厚度為2 10mm。
專利摘要本實用新型公開了一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，包括蓄電池槽，所述蓄電池槽內(nèi)設(shè)有N片三維雙極型極板、一片單板三維正極板、一片單板三維負(fù)極板、膠體電解質(zhì)，所述N＝U標(biāo)稱電壓/2-1，所有三維雙極型極板的一側(cè)是單板三維正極板，另一側(cè)是單板三維負(fù)極板，所述單板三維正極板上連有正極引出端子，單板三維負(fù)極板上連有負(fù)極引出端子。本實用新型大大降低了鉛耗用量，提高了比容量，降低了蓄電池內(nèi)阻，提高了比功率，導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性極好，抑制電池的溫升，延長了壽命，利用率大大提高，大大降低了鉛消耗，同時提高了性能，降低了成本。
文檔編號H01M4/22GK201616490SQ200920201949
公開日2010年10月27日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者劉孝偉, 周明明, 周龍瑞, 陳體銜 申請人:超威電源有限公司