專利名稱：一種鉛酸電池的炭質(zhì)電極板的制作方法
技術(shù)領域：
本技術(shù)新型涉及一種鉛酸電池的炭質(zhì)電極板，屬于化學工程領域。有望應用于電 動車、電動工具、脈沖發(fā)射等領域的鉛酸電池。
背景技術(shù)：
能源是人類社會生存發(fā)展的基礎，從天然礦藏能源到電能的利用代表了科技發(fā)展 的歷程。近代，特別是上一世紀人類社會的飛速發(fā)展，使得人類資源消耗量急劇增加，致使 以石油為主的傳統(tǒng)化石能源日趨緊張，且造成大氣污染越發(fā)嚴重，尋求可持續(xù)發(fā)展的途徑、 保護自然資源和自然環(huán)境成為21世紀的嚴重挑戰(zhàn)。電能已經(jīng)成為人類社會不可或缺的一 種潔凈的能源，任何其它資源利用一般都必須使用電能，電能的儲存、轉(zhuǎn)化、輸送都用到電 池/電容技術(shù)。電動汽車(包括純電動車和混合電動車HEV)無污染、使用成本低且有望調(diào)諧電 網(wǎng)系統(tǒng)夜間的谷電，成為目前的研究熱點和未來交通工具的發(fā)展趨勢。鉛酸電池因其原 料資源豐富、價格低廉、制備、維護工藝成熟和安全性好等特點，在電動車上有較好的應用 前景，但目前其比功率低、循環(huán)壽命短的缺點制約了其在電動車上的應用。超級電容器 (Supercapacitors)是性能介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種新型儲能裝置，其比能量是 傳統(tǒng)電容器的20 200倍，比功率一般大于1000W/kg，高于一般二次電池，循環(huán)壽命(> IO5次)也優(yōu)于電池，還具有能瞬間大電流充放電、工作溫度范圍寬、安全、無污染等優(yōu)點，因 而具有在電動汽車上的潛在應用前景。但是，迄今為止，電化學電容器的比能量還是低于二 次電池，制約了其在電動車上的應用。鉛酸電池的比功率較低以及大功率放電下壽命差，主要是受限于負極在高密度 電流放電情況下，負極產(chǎn)生大量鉛離子進入電解液，與之相對的情況是電解液中硫酸根離 子擴散受限，致使鉛離子過飽和，容易在負極表面形成一層致密的硫酸鉛沉淀層，造成負極 表面鈍化。硫酸鉛導電性差，溶解度小，會降低負極內(nèi)部鉛的反應活性，增加反應過電位，致 使充電時析氫較為嚴重，充電效率下降，并形成惡性循環(huán)。若繼續(xù)大功率充放電，以上情況 會進一步惡化，硫酸鉛沉淀顆粒增大且過程不可逆，最終負極喪失反應活性，電池失效(參 見J. PowerSources 133(2004) 126)。若能通過外電路的控制，避免鉛酸電池大功率充放電， 能有效提高其壽命。中國專利200620097371. 7公開了一種電池，其在傳統(tǒng)的電池外并聯(lián)了 一個耐高功率充放電的電容器，通過一個外殼將電池和電容固定，構(gòu)成一種電池-電容組 合。該類電池-電容組合雖然將鉛酸電池和超級電容器進行了結(jié)合，但屬于外組合式，兩個 電源均需要各自的電解液、隔膜等，不但器件總體積較大，還需要外電路和相應的管理系統(tǒng) 進行實時測試、控制，成本較高。若將超級電容器與鉛酸電池的“外并”改成“內(nèi)并”，則能省去復雜的外電路與控 制系統(tǒng)，有效的降低成本。中國專利200810136333. 1公開了 一種鉛酸電池，其部分負級 鉛板為碳板所代替，可以提高鉛酸電池比功率，延長電池壽命。中國專利200910002836. 4 公開了將超級電容器活性炭電極和鉛負極“內(nèi)并”的電池，近期也有人稱之為“超級電池”(Ultrabattery，參見J.Power Source 174(2007) 16)。該電池將超級電容器的高比功 率、長壽命的優(yōu)勢融合到鉛酸電池中，在保持提高功率、延長電池壽命優(yōu)點的同時，又能簡 化電路、提高比容量，并降低總費用(參見《科學時報》2009年8月14日的《科學時評》專 欄)。但是，上述超級電池由于減少了鉛負極板，這種電池的體積比能量將有所下降。此 外，炭片電極與鉛酸電池電極之間均置有隔膜，一方面隔膜較厚(毫米級)，造成活性物質(zhì) 填裝量降低，降低了器件的比能量；另一方面，隔膜和炭質(zhì)電極的加入也阻礙了充放電過程 中電解液離子的傳輸，因為無論隔膜還是炭電極內(nèi)部微米級的孔洞(尺度1 5 μ m，參見 Solid StateIonics 179(2008) 1946)均存在儲液量小、離子遷移阻力大的缺點，這不但降 低了器件的比功率特性，還因鉛離子遷移受限造成壽命衰減。若采用將炭片電極直接貼到鉛酸電池電極上的方法，雖可省去隔膜，但炭電極內(nèi) 部顆粒排布緊密，阻礙離子傳輸?shù)那闆r仍然嚴重。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種炭質(zhì)鉛酸電池炭質(zhì)電極板，直接緊貼在鉛酸電池電 極板兩側(cè)，該炭質(zhì)電極板上有貫通電極板前后的孔道，能提高鉛酸電池的功率密度和循環(huán) 使用壽命。本實用新型的技術(shù)方案如下一種鉛酸電池的炭質(zhì)電極板4，包括炭質(zhì)正極板4-1和炭質(zhì)負極板4-2，該炭質(zhì)電 極板由金屬集流體和電活性物質(zhì)組成；電極板上有貫通電極板前后的孔道5，每個孔道的 橫截面積為0. 01 1000mm2，孔間距為1 IOOmm ；炭質(zhì)電極板厚度為0. 001 IOmm ；鉛酸 電池由氧化鉛正極板1、炭質(zhì)正極板4-1、隔膜3、炭質(zhì)負極板4-2和鉛負極板2依次連接組 成，炭質(zhì)負極板4-2緊貼于鉛負極板2的一側(cè)或兩側(cè)，炭質(zhì)正極板4-1緊貼于氧化鉛正極板 1的一側(cè)或兩側(cè)；金屬集流體通過極耳與氧化鉛正極板1的極耳連接，或通過極耳與鉛負極 板2的極耳連接。金屬集流體分為兩類，一類為鉛、銅、鈦、鉭或鋁的網(wǎng)或箔，另一類為表面鍍鉛的 銅、鈦、鉭或鋁的網(wǎng)或箔。電活性物質(zhì)包括活性炭、炭黑、碳納米管、炭纖維、炭氣凝膠、模板 炭、介孔炭、碳化物衍生炭、氧化釕、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚烷基噻吩和聚對氟苯基噻吩 中的一種或幾種，電活性物質(zhì)的含量為15 95%。炭質(zhì)電極板4含有粘結(jié)劑和添加劑，粘 結(jié)劑為聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素鈉中的一種或混合物， 粘結(jié)劑含量為1 30% ；添加劑為鉛、鈦、鋅、鋇、銻、鎘、銀、鉍的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽 或其混合物，添加劑含量為0. 1 50%。孔道橫截面的形狀是圓形、多邊形或其它任何形 狀。本實用新型提供的電極板優(yōu)點在于該電極板使得鉛酸電池具有了電容器大功 率、長壽命的優(yōu)點。當需要大功率放電時，由于炭質(zhì)電極電極反應快，首先由其提供大部分 電流，同時鉛負極板上的放電電流緩慢增加，避免了鉛負極受到大電流的沖擊，減少了鈍化 的產(chǎn)生，延長了壽命。而且，炭質(zhì)電極上的孔道能直接充當離子遷移的通道，提高器件的離 子電導率，從而在高功率放電時限制鉛離子在鉛負極表面的過飽和，進一步提高了鉛酸電 池的功率特性和壽命。另一方面，炭質(zhì)電極上的孔道能儲存電解液，在高功率放電時提供充
4足硫酸根離子，這避免了使用較占空間、且電阻大的額外的隔膜，提高了器件的比能量與比 功率。
圖1為一種本實用新型的極板結(jié)構(gòu)示意圖，鉛酸電池正負極兩側(cè)各有兩片炭極 板；圖2為一種本實用新型的極板結(jié)構(gòu)示意圖，鉛酸電池負極兩側(cè)有兩片炭極板；圖3為一種本實用新型的極板結(jié)構(gòu)示意圖，鉛酸電池負極兩側(cè)有兩片炭極板，正 極一側(cè)有一片炭極板；圖4為一種本實用新型的極板結(jié)構(gòu)示意圖，鉛酸電池正負極兩側(cè)各有一片炭極 板；圖5為一種本實用新型的極板結(jié)構(gòu)示意圖，鉛酸電池正負極兩側(cè)各有一片炭極 板，炭極板上有柵狀孔道；其中1.氧化鉛正極板，2.鉛負極板，3.隔膜，4.炭質(zhì)電極板，4-1.炭質(zhì)正極板， 4-2.炭質(zhì)負極板，5.炭質(zhì)電極板上的孔道
具體實施方式
實施例1如圖1所示，在一個疊層式鉛酸電池中，兩片炭質(zhì)正極板4-1和兩片負極板4-2分 別緊貼于鉛酸電池氧化鉛正極板1與鉛負極板2兩側(cè)，炭質(zhì)電極板4由金屬集流體和附著 其上的電活性物質(zhì)組成。炭質(zhì)電極板的金屬集流體是鉛網(wǎng)，電活性物質(zhì)為65%的電容活性 炭，5%的炭黑，3%的炭纖維，7%的聚四氟乙烯粘結(jié)劑，以及總量為20%的含鉛、鈦、鋅、鋇、 銻、鎘、銀、鉍的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽或其混合物。炭質(zhì)電極板4上打有圓形孔，每個 孔直徑5mm，相距15mm，均貫通炭質(zhì)電極板4。該鉛酸電池比功率達750W/kg，50% DOD循環(huán) 充放電1500次容量衰減20 %。實施例2如圖2所示，在一個疊層式鉛酸電池中，兩片炭質(zhì)負極板4-2分別緊貼于鉛酸電池 鉛負極板2兩側(cè)，炭質(zhì)負極板4-2由金屬集流體和電活性物質(zhì)組成。炭質(zhì)負極板的金屬集 流體是鉛網(wǎng)，電活性物質(zhì)為55%的電容活性炭，15%的炭黑，3%的炭纖維，7%的聚四氟乙 烯粘結(jié)劑，以及總量為20%的含鉛、鈦、鋅、鋇、銻、鎘、銀、鉍的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽或 其混合物。炭質(zhì)負極板4-2上打有圓形孔，每個孔直徑10mm，相距20mm，均貫通炭質(zhì)負極板 4-2。該鉛酸電池比功率達600W/kg，50% DOD循環(huán)充放電2000次容量衰減15%。實施例3如圖3所示，在一個疊層式鉛酸電池中，兩片炭質(zhì)負電極板4-2和一片炭質(zhì)正極板 4-1分別緊貼于鉛酸電池鉛負極板2兩側(cè)和氧化鉛正極板1的一側(cè)，炭質(zhì)電極板4由金屬 集流體和電活性物質(zhì)組成。炭質(zhì)電極板的金屬集流體是鉛網(wǎng)，電活性物質(zhì)為55%的電容活 性炭，15%的炭黑，3%的炭纖維，7%的聚四氟乙烯粘結(jié)劑，以及總量為20%的含鉛、鈦、鋅、 鋇、銻、鎘、銀、鉍的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽或其混合物。炭質(zhì)電極板4上打有圓形孔，每 個孔直徑3mm，相距10mm，均貫通炭質(zhì)電極板4。該鉛酸電池比功率達1500W/kg，80% DOD循環(huán)充放電1000次容量衰減25%。實施例4如圖4所示，在一個疊層式鉛酸電池中，一片炭質(zhì)正極板4-1和一片炭質(zhì)負極板 4-2分別位于鉛酸電池氧化鉛正極板1與鉛負極板2 —側(cè)，炭質(zhì)電極板4由金屬集流體和電 活性物質(zhì)組成。炭質(zhì)電極板的金屬集流體是表面鍍鉛的鉭網(wǎng)，電活性物質(zhì)為25%的電容活 性炭，25%的炭氣凝膠，10%的氧化釕，5%的聚吡咯，8%的炭黑，7%的聚四氟乙烯粘結(jié)劑， 以及總量為20%的含鉛、鈦、鋅、鋇、銻、鎘、銀、鉍的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽或其混合物。 炭質(zhì)電極板4上打有圓形孔，每個孔直徑12mm，相距25mm，均貫通炭質(zhì)電極板4。該鉛酸電 池比功率達1500W/kg，80% DOD循環(huán)充放電1000次容量衰減25%。實施例5如圖5所示，在一個疊層式鉛酸電池中，一片炭質(zhì)正極板4-1和一片炭質(zhì)負極板 4-2分別位于鉛酸電池氧化鉛正極板1與鉛負極板2—側(cè)，炭質(zhì)電極板4由金屬集流體和電 活性物質(zhì)組成。炭質(zhì)電極板的金屬集流體是表面鍍鉛的鉭網(wǎng)，電活性物質(zhì)為25%的電容活 性炭，25%的炭氣凝膠，10%的氧化釕，5%的聚吡咯，8%的炭黑，7%的聚四氟乙烯粘結(jié)劑， 以及總量為20%的含鉛、鈦、鋅、鋇、銻、鎘、銀、鉍的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽或其混合物。 炭質(zhì)電極板上4打有柵狀孔，每個孔長150mm，寬3mm，相距10mm，均貫通炭質(zhì)電極板4。該 鉛酸電池比功率達2000W/kg，70% DOD循環(huán)充放電1000次容量衰減20%。實施例6在一個包含一片鉛負極板2、一片氧化鉛正極板1的卷繞式鉛酸電池中，一片炭質(zhì) 正極板4-1和一片炭質(zhì)負極板4-2分別緊貼鉛負極板2和氧化鉛正極板1，炭質(zhì)電極板4 由金屬集流體和附著其上的電活性物質(zhì)組成。炭質(zhì)電極板4的金屬集流體是表面鍍鉛的鈦 網(wǎng)，電活性物質(zhì)為50%的炭氣凝膠，10%的氧化釕，10%的聚噻吩，5%的炭黑，5%的聚四氟 乙烯粘結(jié)劑，以及總量為20%的含鉛、鈦、鋅、鋇、銻、鎘、銀、鉍的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽 或其混合物。炭質(zhì)電極板4上打有圓形孔，每個孔直徑10mm，相距20mm，均貫通炭質(zhì)電極板 4。該鉛酸電池比功率達1000W/kg，比能量40Wh/kg，75% DOD循環(huán)充放電1500次容量衰減 25%。
權(quán)利要求一種鉛酸電池的炭質(zhì)電極板，包括炭質(zhì)正極板(4 1)和炭質(zhì)負極板(4 2)，其特征在于電極板上有貫通電極板前后的孔道(5)，每個孔道的橫截面積為0.01～1000mm2，孔間距為1～100mm；炭質(zhì)電極板厚度為0.001～10mm；鉛酸電池由氧化鉛正極板(1)、炭質(zhì)正極板(4 1)、隔膜(3)、炭質(zhì)負極板(4 2)和鉛負極板(2)依次連接組成，炭質(zhì)負極板(4 2)緊貼于鉛負極板(2)的一側(cè)或兩側(cè)，炭質(zhì)正極板(4 1)緊貼于氧化鉛正極板(1)的一側(cè)或兩側(cè)；金屬集流體通過極耳與氧化鉛正極板(1)的極耳連接，或通過極耳與鉛負極板(2)的極耳連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的炭質(zhì)電極板，其特征在于金屬集流體分為兩類，一類為鉛、 銅、鈦、鉭或鋁的網(wǎng)/箔，另一類為表面鍍鉛的銅、鈦、鉭或鋁的網(wǎng)/箔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的炭質(zhì)電極板，其特征在于電活性物質(zhì)包括活性炭、炭黑、碳 納米管、炭纖維、炭氣凝膠、模板炭、介孔炭、碳化物衍生炭、氧化釕、聚苯胺、聚吡咯、聚噻 吩、聚烷基噻吩和聚對氟苯基噻吩中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的炭質(zhì)電極板，其特征在于孔道橫截面的形狀是圓形或多邊形。
專利摘要本實用新型為一種鉛酸電池的炭質(zhì)電極板，包括炭質(zhì)正極板和炭質(zhì)負極板，該電極板上有貫通電極板前后的孔道，孔道的形狀是圓形、多邊形或其它任何形狀。該電極板由金屬集流體、電活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和添加劑組成，可用于疊層式或卷繞式鉛酸電池。該電極板具有優(yōu)良的脈沖響應性能，能提高鉛酸電池的功率密度和循環(huán)使用壽命，有望應用于電動車、電動工具、脈沖發(fā)射等領域的鉛酸電池。
文檔編號H01M10/06GK201655911SQ200920292510
公開日2010年11月24日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者張文峰, 張 浩, 徐斌, 曹高萍, 楊裕生 申請人:中國人民解放軍63971部隊