专利名称：一种铅酸电池的炭质电极板的制作方法
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(> IO5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 5 μ m，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 IOOmm ；炭质电极板厚度为0. 001 IOmm ；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
4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。
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 —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—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%。
权利要求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。
专利摘要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。
文档编号H01M10/06GK201655911SQ200920292510
公开日2010年11月24日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者张文峰, 张 浩, 徐斌, 曹高萍, 杨裕生 申请人:中国人民解放军63971部队