CN201655911U

CN201655911U - 一种铅酸电池的炭质电极板

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Publication number: CN201655911U
Application number: CN2009202925105U
Authority: CN
Inventors: 张�浩; 曹高萍; 杨裕生; 徐斌; 张文峰
Original assignee: 63971 Troops of PLA
Current assignee: 63971 Troops of PLA
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2019-12-11

Abstract

本实用新型为一种铅酸电池的炭质电极板，包括炭质正极板和炭质负极板，该电极板上有贯通电极板前后的孔道，孔道的形状是圆形、多边形或其它任何形状。该电极板由金属集流体、电活性物质、粘结剂和添加剂组成，可用于叠层式或卷绕式铅酸电池。该电极板具有优良的脉冲响应性能，能提高铅酸电池的功率密度和循环使用寿命，有望应用于电动车、电动工具、脉冲发射等领域的铅酸电池。

Description

一种铅酸电池的炭质电极板

技术领域

本技术新型涉及一种铅酸电池的炭质电极板，属于化学工程领域。有望应用于电动车、电动工具、脉冲发射等领域的铅酸电池。

背景技术

能源是人类社会生存发展的基础，从天然矿藏能源到电能的利用代表了科技发展的历程。近代，特别是上一世纪人类社会的飞速发展，使得人类资源消耗量急剧增加，致使以石油为主的传统化石能源日趋紧张，且造成大气污染越发严重，寻求可持续发展的途径、保护自然资源和自然环境成为21世纪的严重挑战。电能已经成为人类社会不可或缺的一种洁净的能源，任何其它资源利用一般都必须使用电能，电能的储存、转化、输送都用到电池/电容技术。

电动汽车(包括纯电动车和混合电动车HEV)无污染、使用成本低且有望调谐电网系统夜间的谷电，成为目前的研究热点和未来交通工具的发展趋势。铅酸电池因其原料资源丰富、价格低廉、制备、维护工艺成熟和安全性好等特点，在电动车上有较好的应用前景，但目前其比功率低、循环寿命短的缺点制约了其在电动车上的应用。超级电容器(Supercapacitors)是性能介于传统电容器和电池之间的一种新型储能装置，其比能量是传统电容器的20～200倍，比功率一般大于1000W/kg，高于一般二次电池，循环寿命(＞10⁵次)也优于电池，还具有能瞬间大电流充放电、工作温度范围宽、安全、无污染等优点，因而具有在电动汽车上的潜在应用前景。但是，迄今为止，电化学电容器的比能量还是低于二次电池，制约了其在电动车上的应用。

铅酸电池的比功率较低以及大功率放电下寿命差，主要是受限于负极：在高密度电流放电情况下，负极产生大量铅离子进入电解液，与之相对的情况是电解液中硫酸根离子扩散受限，致使铅离子过饱和，容易在负极表面形成一层致密的硫酸铅沉淀层，造成负极表面钝化。硫酸铅导电性差，溶解度小，会降低负极内部铅的反应活性，增加反应过电位，致使充电时析氢较为严重，充电效率下降，并形成恶性循环。若继续大功率充放电，以上情况会进一步恶化，硫酸铅沉淀颗粒增大且过程不可逆，最终负极丧失反应活性，电池失效(参见J.PowerSources 133(2004)126)。若能通过外电路的控制，避免铅酸电池大功率充放电，能有效提高其寿命。中国专利200620097371.7公开了一种电池，其在传统的电池外并联了一个耐高功率充放电的电容器，通过一个外壳将电池和电容固定，构成一种电池-电容组合。该类电池-电容组合虽然将铅酸电池和超级电容器进行了结合，但属于外组合式，两个电源均需要各自的电解液、隔膜等，不但器件总体积较大，还需要外电路和相应的管理系统进行实时测试、控制，成本较高。

若将超级电容器与铅酸电池的“外并”改成“内并”，则能省去复杂的外电路与控制系统，有效的降低成本。中国专利200810136333.1公开了一种铅酸电池，其部分负级铅板为碳板所代替，可以提高铅酸电池比功率，延长电池寿命。中国专利200910002836.4公开了将超级电容器活性炭电极和铅负极“内并”的电池，近期也有人称之为“超级电池”(Ultrabattery，参见J.Power Source 174(2007)16)。该电池将超级电容器的高比功率、长寿命的优势融合到铅酸电池中，在保持提高功率、延长电池寿命优点的同时，又能简化电路、提高比容量，并降低总费用(参见《科学时报》2009年8月14日的《科学时评》专栏)。

但是，上述超级电池由于减少了铅负极板，这种电池的体积比能量将有所下降。此外，炭片电极与铅酸电池电极之间均置有隔膜，一方面隔膜较厚(毫米级)，造成活性物质填装量降低，降低了器件的比能量；另一方面，隔膜和炭质电极的加入也阻碍了充放电过程中电解液离子的传输，因为无论隔膜还是炭电极内部微米级的孔洞(尺度1～5μm，参见Solid StateIonics 179(2008)1946)均存在储液量小、离子迁移阻力大的缺点，这不但降低了器件的比功率特性，还因铅离子迁移受限造成寿命衰减。

若采用将炭片电极直接贴到铅酸电池电极上的方法，虽可省去隔膜，但炭电极内部颗粒排布紧密，阻碍离子传输的情况仍然严重。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种炭质铅酸电池炭质电极板，直接紧贴在铅酸电池电极板两侧，该炭质电极板上有贯通电极板前后的孔道，能提高铅酸电池的功率密度和循环使用寿命。

本实用新型的技术方案如下：

一种铅酸电池的炭质电极板4，包括炭质正极板4-1和炭质负极板4-2，该炭质电极板由金属集流体和电活性物质组成；电极板上有贯通电极板前后的孔道5，每个孔道的横截面积为0.01～1000mm²，孔间距为1～100mm；炭质电极板厚度为0.001～10mm；铅酸电池由氧化铅正极板1、炭质正极板4-1、隔膜3、炭质负极板4-2和铅负极板2依次连接组成，炭质负极板4-2紧贴于铅负极板2的一侧或两侧，炭质正极板4-1紧贴于氧化铅正极板1的一侧或两侧；金属集流体通过极耳与氧化铅正极板1的极耳连接，或通过极耳与铅负极板2的极耳连接。

金属集流体分为两类，一类为铅、铜、钛、钽或铝的网或箔，另一类为表面镀铅的铜、钛、钽或铝的网或箔。电活性物质包括活性炭、炭黑、碳纳米管、炭纤维、炭气凝胶、模板炭、介孔炭、碳化物衍生炭、氧化钌、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚烷基噻吩和聚对氟苯基噻吩中的一种或几种，电活性物质的含量为15～95％。炭质电极板4含有粘结剂和添加剂，粘结剂为聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠中的一种或混合物，粘结剂含量为1～30％；添加剂为铅、钛、锌、钡、锑、镉、银、铋的氧化物、氢氧化物和硫酸盐或其混合物，添加剂含量为0.1～50％。孔道横截面的形状是圆形、多边形或其它任何形状。

本实用新型提供的电极板优点在于：该电极板使得铅酸电池具有了电容器大功率、长寿命的优点。当需要大功率放电时，由于炭质电极电极反应快，首先由其提供大部分电流，同时铅负极板上的放电电流缓慢增加，避免了铅负极受到大电流的冲击，减少了钝化的产生，延长了寿命。而且，炭质电极上的孔道能直接充当离子迁移的通道，提高器件的离子电导率，从而在高功率放电时限制铅离子在铅负极表面的过饱和，进一步提高了铅酸电池的功率特性和寿命。另一方面，炭质电极上的孔道能储存电解液，在高功率放电时提供充足硫酸根离子，这避免了使用较占空间、且电阻大的额外的隔膜，提高了器件的比能量与比功率。

附图说明

图1为一种本实用新型的极板结构示意图，铅酸电池正负极两侧各有两片炭极板；

图2为一种本实用新型的极板结构示意图，铅酸电池负极两侧有两片炭极板；

图3为一种本实用新型的极板结构示意图，铅酸电池负极两侧有两片炭极板，正极一侧有一片炭极板；

图4为一种本实用新型的极板结构示意图，铅酸电池正负极两侧各有一片炭极板；

图5为一种本实用新型的极板结构示意图，铅酸电池正负极两侧各有一片炭极板，炭极板上有栅状孔道；

其中：1.氧化铅正极板，2.铅负极板，3.隔膜，4.炭质电极板，4-1.炭质正极板，4-2.炭质负极板，5.炭质电极板上的孔道

具体实施方式

实施例1

如图1所示，在一个叠层式铅酸电池中，两片炭质正极板4-1和两片负极板4-2分别紧贴于铅酸电池氧化铅正极板1与铅负极板2两侧，炭质电极板4由金属集流体和附着其上的电活性物质组成。炭质电极板的金属集流体是铅网，电活性物质为65％的电容活性炭，5％的炭黑，3％的炭纤维，7％的聚四氟乙烯粘结剂，以及总量为20％的含铅、钛、锌、钡、锑、镉、银、铋的氧化物、氢氧化物和硫酸盐或其混合物。炭质电极板4上打有圆形孔，每个孔直径5mm，相距15mm，均贯通炭质电极板4。该铅酸电池比功率达750W/kg，50％DOD循环充放电1500次容量衰减20％。

实施例2

如图2所示，在一个叠层式铅酸电池中，两片炭质负极板4-2分别紧贴于铅酸电池铅负极板2两侧，炭质负极板4-2由金属集流体和电活性物质组成。炭质负极板的金属集流体是铅网，电活性物质为55％的电容活性炭，15％的炭黑，3％的炭纤维，7％的聚四氟乙烯粘结剂，以及总量为20％的含铅、钛、锌、钡、锑、镉、银、铋的氧化物、氢氧化物和硫酸盐或其混合物。炭质负极板4-2上打有圆形孔，每个孔直径10mm，相距20mm，均贯通炭质负极板4-2。该铅酸电池比功率达600W/kg，50％DOD循环充放电2000次容量衰减15％。

实施例3

如图3所示，在一个叠层式铅酸电池中，两片炭质负电极板4-2和一片炭质正极板4-1分别紧贴于铅酸电池铅负极板2两侧和氧化铅正极板1的一侧，炭质电极板4由金属集流体和电活性物质组成。炭质电极板的金属集流体是铅网，电活性物质为55％的电容活性炭，15％的炭黑，3％的炭纤维，7％的聚四氟乙烯粘结剂，以及总量为20％的含铅、钛、锌、钡、锑、镉、银、铋的氧化物、氢氧化物和硫酸盐或其混合物。炭质电极板4上打有圆形孔，每个孔直径3mm，相距10mm，均贯通炭质电极板4。该铅酸电池比功率达1500W/kg，80％DOD循环充放电1000次容量衰减25％。

实施例4

如图4所示，在一个叠层式铅酸电池中，一片炭质正极板4-1和一片炭质负极板4-2分别位于铅酸电池氧化铅正极板1与铅负极板2一侧，炭质电极板4由金属集流体和电活性物质组成。炭质电极板的金属集流体是表面镀铅的钽网，电活性物质为25％的电容活性炭，25％的炭气凝胶，10％的氧化钌，5％的聚吡咯，8％的炭黑，7％的聚四氟乙烯粘结剂，以及总量为20％的含铅、钛、锌、钡、锑、镉、银、铋的氧化物、氢氧化物和硫酸盐或其混合物。炭质电极板4上打有圆形孔，每个孔直径12mm，相距25mm，均贯通炭质电极板4。该铅酸电池比功率达1500W/kg，80％DOD循环充放电1000次容量衰减25％。

实施例5

如图5所示，在一个叠层式铅酸电池中，一片炭质正极板4-1和一片炭质负极板4-2分别位于铅酸电池氧化铅正极板1与铅负极板2一侧，炭质电极板4由金属集流体和电活性物质组成。炭质电极板的金属集流体是表面镀铅的钽网，电活性物质为25％的电容活性炭，25％的炭气凝胶，10％的氧化钌，5％的聚吡咯，8％的炭黑，7％的聚四氟乙烯粘结剂，以及总量为20％的含铅、钛、锌、钡、锑、镉、银、铋的氧化物、氢氧化物和硫酸盐或其混合物。炭质电极板上4打有栅状孔，每个孔长150mm，宽3mm，相距10mm，均贯通炭质电极板4。该铅酸电池比功率达2000W/kg，70％DOD循环充放电1000次容量衰减20％。

实施例6

在一个包含一片铅负极板2、一片氧化铅正极板1的卷绕式铅酸电池中，一片炭质正极板4-1和一片炭质负极板4-2分别紧贴铅负极板2和氧化铅正极板1，炭质电极板4由金属集流体和附着其上的电活性物质组成。炭质电极板4的金属集流体是表面镀铅的钛网，电活性物质为50％的炭气凝胶，10％的氧化钌，10％的聚噻吩，5％的炭黑，5％的聚四氟乙烯粘结剂，以及总量为20％的含铅、钛、锌、钡、锑、镉、银、铋的氧化物、氢氧化物和硫酸盐或其混合物。炭质电极板4上打有圆形孔，每个孔直径10mm，相距20mm，均贯通炭质电极板4。该铅酸电池比功率达1000W/kg，比能量40Wh/kg，75％DOD循环充放电1500次容量衰减25％。

Claims

1.一种铅酸电池的炭质电极板，包括炭质正极板(4-1)和炭质负极板(4-2)，其特征在于：电极板上有贯通电极板前后的孔道(5)，每个孔道的横截面积为0.01～1000mm²，孔间距为1～100mm；炭质电极板厚度为0.001～10mm；铅酸电池由氧化铅正极板(1)、炭质正极板(4-1)、隔膜(3)、炭质负极板(4-2)和铅负极板(2)依次连接组成，炭质负极板(4-2)紧贴于铅负极板(2)的一侧或两侧，炭质正极板(4-1)紧贴于氧化铅正极板(1)的一侧或两侧；金属集流体通过极耳与氧化铅正极板(1)的极耳连接，或通过极耳与铅负极板(2)的极耳连接。

2.根据权利要求1所述的炭质电极板，其特征在于：金属集流体分为两类，一类为铅、铜、钛、钽或铝的网/箔，另一类为表面镀铅的铜、钛、钽或铝的网/箔。

3.根据权利要求1所述的炭质电极板，其特征在于：电活性物质包括活性炭、炭黑、碳纳米管、炭纤维、炭气凝胶、模板炭、介孔炭、碳化物衍生炭、氧化钌、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚烷基噻吩和聚对氟苯基噻吩中的一种。

4.根据权利要求1所述的炭质电极板，其特征在于：孔道横截面的形状是圆形或多边形。