专利名称：一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铅酸电池的修护方法及其装置，尤其涉及一种用于铅酸电
池(Sealed Rechargeable Battery)的还原硫酸铅化合物的方法及装置。
背景技术：
现行的充电电池中，像是移动通讯设备、精密电子仪器、相机或手机都已 经使用锂电池或其它更具经济效益的充放电电池，但是铅酸电池(Sealed Rechargeable Battery)所具有的续航力，以及铅酸电池的蓄电量，让铅酸电池在 车用电池、不断电系统(Uninterrupted Power Systems, UPS)，或是照明系统到今
日仍然是首要选择，使用率居高不下。以汽车为例，其所使用之铅酸电池(俗 称电瓶)为一种以铅(Pb)及二氧化铅(Pb02)为电极，以硫酸(H2S04)为电解质
的装置。此种装置，主要是由氧化还原化学反应，使电池可以随时提供足够的 电力供给使用。
通常，铅酸电池在正常使用过程中，由于不完全充放电或长期处于待使用 的状态时，其电池内部会不断产生结晶硫化物，并且结晶硫化物覆盖在极板上 阻碍了电化学反应的正常运行，并且影响电能的输出。而且随着极板上结晶硫 化物的不断增多，铅酸电池的容量会不断的下降，直至完全失效为止。
另外，铅酸电池的负极板在放电时，当氧化铅与硫酸溶液进行电化学反应 时会产生硫酸铅，且硫酸铅物质系以结晶方式存在。通常，因缓慢放电所形成 的大颗粒硫酸铅结晶以及过度的大电流充电与放电皆会造成过于紧密的硫酸 铅结晶。当大颗粒的硫酸铅结晶覆盖于负极板上面会掩盖活性物质，因而产生硫化的现象，或称「假性电量现象」。若铅酸电池的覆盖程度加大时，则会逐
渐丧失电荷的充放电能力。目前的铅酸电池中，其寿命终结的原因有70%以 上属于硫化所引起的。
一般导致铅酸电池的硫化原因，常见的有下列三种情况(l)充电电压设 定过高或过低，容易形成大颗粒的硫酸铅结晶。(2)过度的大电流充电与放电， 容易形成紧密的硫酸铅的大颗粒结晶。(3)铅酸电池停用后，微弱的自主性放 电所形成大颗粒的硫酸铅结晶，导致储存电量的铅酸电池约6个月后，蓄电能 力明显下降。 一年以后，几乎无法再使用。
由此可之，因为电池寿命的减短，造成消费者的负担，且由于废弃的铅酸 电池具有污染，因而带来环保的问题。因此，铅酸电池的效能维护以及延长使 用寿命，是亟待解决的问题。
为了解决上述问题，产生了使用脉冲或高频技术来修复铅酸电池的方法，
脉冲或高频的方式修复铅酸电池有下述缺点
(1) 该方法是利用高压电子技术，让储能组件瞬间放出高压脉冲，由于高压 脉冲所产生的电流不大，所以无法縮减对铅酸电池的修护时间，通常修复 用的高压电子器件要装在汽车上使用，以便长时间对铅酸电池修护。
(2) 使用高压脉冲会对外围的电子仪器产生电磁干扰，所以长久使用下，即
使电池修复了，但是外围的电子装置也会因会电磁长久的干扰产生损坏， 这样子整体效益令人感到质疑，这对汽车或其它设备整体的使用有很大的 影响。
(3) 高频方法是利用切换电路产生出高频施加于电池的电源。由于切换电路 的电流限制，所以对铅酸电池修护需要很长的时间，效益低，高频器件通 常要装在汽车便于长时间对铅酸电池修护。
(4) 高频方法所产生的频率为固定的，这些频率未必适用于硫化的硫酸铅， 如果没有掌握硫酸铅的晶体结构而随意的输入高频讯号，只会造成能量消 耗而无明显效益。
5(5)使用高频震荡会产生高频谐波，高频谐波对外围的电子仪器会产生干扰， 所以对汽车或其它设备整体的使用有很大的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述缺陷，方便、低成本、高效率地解离 电池内部的水分子及电极板上硫酸铅化合物结晶与堆积，促使电池氧化还原的 电化学反应能正常进行，以延长电池的使用寿命。
本发明采用以下技术方案来解决上述技术问题: 一种用于铅酸电池的还原 硫酸铅化合物的方法，该方法至少包括以下步骤
1) 、施加一高频电源到一整流二极管，用于产生脉冲电源施予电池进行充
电；
2) 、施加一高频电源到一介质阻挡放电，用于产生多数个等离子体与更高
频的多频谐波与施予电池内部，进行还原硫酸铅化合物；以及 重复以上的步骤，促使铅酸电池的电化学反应正常进行。 本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其中该介质阻挡放
电受体为氧化铝与碳所组成的碳材介质受体。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其中该介质阻挡放
电受体为海绵体结构，其内部有多数个呈不规则形状的空气隙。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其中该介质阻挡放
电受体为具有多数个非线性时变电阻与时变电容的碳材介质受体。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其中该介质阻挡放
电受体为具有上升前缘斜率陡峭的高电压脉冲电晕放电的电压波形的碳材介
质受体。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其中该介质阻挡放 电受体为具有多数个不同的等效电阻与等效电容的碳材介质受体。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其中该介质阻挡放
6电受体为产生多数个不同的高频多频谐波的碳材介质受体。
本发明 一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其中该等离子体为
非热平衡态等离子体(Non-Thermal Equilibrium Plasma)。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其中该高频电源提 供的电压在400V-500V之间，频率为10kHz 200kHz之间。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其中该脉冲高频电 源提供的脉冲为正半周脉冲。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置，该装置至少包括 一高频电源产生装置，用于产生高频电源； 一整流二极管，其连接于高频电源 产生装置与铅酸蓄电池之间，用于产生一脉冲高频电源施予电池进行充电；以 及一介质阻挡放电受体，其连接于高频电源产生装置与铅酸蓄电池之间，用于 产生多数个等离子体与高频多频谐波施予电池进行还原硫酸铅化合物;该介质 阻挡放电受体为碳材介质受体。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置，其中该介质阻挡放 电受体为氧化铝与碳所组成的碳材介质受体。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置，其中该介质阻挡放 电受体为任何形状的海绵体结构，其内部有多数个呈不规则形状的空气隙。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置，其中该介质阻挡放 电受体为具有多数个非线性时变电阻与时变电容的碳材介质受体。
本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置，其中该高频电源产 生装置至少包括有
一输入电路，用于提供电源，其至少包括有一交流电源、 一桥式整流器、 一滤波电容以及一滤波电感；
一升压电路，用于产生高压电源，其至少包括有一隔离变压器及一闸流体；
以及
一用于调变脉冲宽度的脉冲宽度调变(PWM)电路。本发明一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置，其中该高频电源产
生装置提供的电压在400V 500V之间，频率在10kHz 200kHz之间。
本发明 一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置，其中该整流二极管 用于提供一正脉冲高频电源。
本发明的用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法及装置，其主要利用具 特殊形状结构的碳材介质受体，作为一介质阻挡放电受体，产生高频多频谐波 及多数个非热平衡态等离子体(Non-Thermal Equilibrium Plasma)来还原硫酸 铅化合物，促使电池氧化还原的电化学反应正常进行，进而延长电池的使用寿 命，符合市场实际需求及避免能源浪费，同时减少环境污染，本发明方便简易、 成本低、效率高。
采用还原硫酸铅化合物的装置及其方法来进行铅酸电池的修护，其原理
为由于电池液不能产生介质阻挡放电，但在铅酸电池内的空气中却可以产生
较大空间范围内的电晕放电，只要在电池内的空气与电池液相间位置，实现气 体介质阻挡放电，就能形成放电等离子体与电池液接触的条件。因此，以通过 高压引线到达介质阻挡放电电极的正、负高压脉冲，在介质阻挡放电电极与电 池液之间的空气中会产生与电池液面相接的放电。加之，利用高能电子作用下， 通过放电产生的大量的等离子体中的高能电子，与电池液分子(原子)发生非 弹性碰撞，将能量转化为基态分子的内能，发生激发、离解以及电离等一系列 过程，使电池液处于活化状态。 一方面打开电池内部的空气的分子键，生成一
些单质原子或单原子分子；另一方面，等离子体与电池液中的水分子或电池内 部的空气中的水的分子产生大量的游离氧、自由基和臭氧等活性基团。由这些 单原子分子、游离氧、自由基以及臭氧等组成的活性粒子所引起的化学反应， 可以将铅酸电池中的复杂硫酸铅化合物还原成硫酸与铅化合物，以及解离水分 子作用，使硫酸铅结晶可以更快速的结合形成H2S04，加速整个还原反应的动 作，如下公式所示
e— + 02 (空气中或电池内)+e- + H20 (空气中或电池内)"》e + OH- + H+
so2 (电池内)+o—so3
S03 + H20 (电池内)—H2S04 HS03 + Off —H2S04
因此，利用脉冲介质阻挡放电等离子体法产生等离子体来解离水分子、硫 酸铅结晶及还原硫酸铅化合物，为一有效且快速的可行方法。
图1为本发明实施例动作流程框图2为本发明实施例电路装置的电路示意图3为本发明实施例受体结构示意图4为本发明实施例受体呈海绵体的结构图5为图4的海绵体局部结构图6为本发明实施例非线性时变电阻与时变电容的示意图。 主要组件符号说明
Dl:桥式整流器 LI:滤波电感 CI:滤波电容 Ql:闸流体
Tl:隔离变压器 D2: 二极管 E: (PWM)脉冲宽度调变电路 F:受体
具体实施例方式
本发明具体实施以汽车电池为例，实施时系将汽车上的电池拆下后，在远 离外围的电子仪器下，采用本发明的方法及装置，来对该电池进行解离水分子、硫酸铅结晶以及还原硫酸铅化合物，促使电池的电化学反应正常进行，以延长 电池的使用寿命。
如图l、 2所示， 一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其主要 在电池正极输入一正半周脉冲高频电源对电池进行充电，同时电池的负极连接 一介质阻挡放电受体，用于产生高频多频谐波与多数的等离子体施加在电池 内，用于还原硫酸铅化合物，促使电池的电化学反应能正常进行，以延长电池 的使用寿命。
一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，该方法至少包括 施加一高频电源到一整流二极管，用于产生一正半周脉冲高频高压对铅酸 电池进行充电；
施加一高频电源到一介质阻挡放电受体，用于产生高频多频谐波与等离子
体输入电池内部，来还原硫化的酸铅化合物；以及
重复以上的步骤，使铅酸电池的电化学反应能正常进行，进而增加铅酸电 池的使用寿命。
如图3、 4、 5所示，上述本发明的介质阻挡放电受体，为一碳材介质受体， 其具有以下的特征
(1) 为氧化铝与碳所组成的受体。
(2) 为海绵体结构。
(3 ) 内部具有多数个呈不规则形状的空气隙供空气流通。
(4) 具有多数个非线性时变电阻与时变电容的受体。
(5) 具有上升前缘斜率陡峭的高电压脉冲电晕放电的电压波形的受 体。
(6) 可以产生多数个不同的等效电阻与等效电容效应的受体。
(7) 可以产生多数个不同的高频多频谐波的受体。 '
(8) 可以产生多数个非热平衡态等离子体。上述方法的高频电源提供的频率为10kHz 200kHz之间；提供的电压在 400V 500v之间，脉冲高频电源提供的脉冲为正半周脉冲。
上述方法主要为在充电同时，利用一具有特殊形状结构的碳材介质受体作
为本发明的介质阻挡放电受体，其作用
一、 由于海绵体结构的特性，出现多数个不同的等效电阻与等效电容效应， 这些非线性时变电阻与时变电容，当施予一固定频率的高频电源时，由于不同 的等效电阻与等效电容相互作用，会产生更高频率的电压，也就是高频多频电 压。这是由于非线性时变电阻与时变电容的结构为不均匀状，如果是均匀的良 导体，电流会走导体表面的最短路径，但是实际上非线性时变电阻与时变电容 是不均匀的海绵体结构，电流会流入泡绵体结构中，造成不均匀的电流流过， 引发出不同的电感值，此电感值因时间变化而有不同的数值，同时具有电容效 应，所以施予一固定频率的高频电源时，就会造成非线性时变电阻与时变电容
产生高频多频谐波，如图6所示。
由于高频多频谐波，可以在电池内部电极上产生深度不同，大小不同，且 随机的涡电流效应，可以将硫化的硫酸铅结晶体解力或化成细小或粉末般的结 晶，最终达到活化的效果。
二、 由于特殊海绵体形状结构的碳材介质受体，其内部具有供空气流通不 规则的空气隙以及有上升前缘斜率陡峭的高电压脉冲电晕放电的电压波形特 性，如图4、 5所示。
当施予一固定频率的高频电源到该介质阻挡放电受体时，在内部的空气放 电过程中产生大量电子，即可在常温常压下产生非热平衡态等离子体或称低温 等离子体，其技术特点是采用窄脉冲电压(400V 600V)电源供应电能，脉 冲电压波的上升前缘的斜率陡峭，通常上升时时间为数十奈秒以下，脉宽在 20微秒以内的宽度，脉宽非常窄，电子被加速而成为高能电子，其它质量较 大的离子由于惯性大，在脉冲瞬间内来不及被加速而基本保持静止。因此，放 电所提供的能量大多用于产生高能电子，能量效率较高。
ii在多次研究及试验中，发现选用氧化铝与碳所制成的碳材介质受体作为介 质阻挡放电受体，可以覆盖在一对电极或至少一个电极上，也可以放置于电极 之间。这样，当在两电极间加上足够高的脉波电压时，电极间隙的介质体就会 被击穿形成放电。这种放电表现为均匀、漫散和稳定，貌似低压下的辉光放电， 而实际上是在不规则海绵体结构的空气隙，构成大量细微的快脉冲放电通道， 即可利用高压高频脉冲的介质阻挡放电来产生等离子体，其与电池液内的水分
子会产生大量强氧化性的O、 OH—等活性基团。
上述方法，利用高压高频脉冲的介质阻挡放电受体产生等离子体的技术， 其还原铅酸电池的硫酸铅化合物，主要通过两种途径
(1) 利用非热平衡态等离子体中的高能粒子直接打开铅酸电池内部空气 分子键，生成一些单原子分子与固体微粒。
(2) 与电池液的水分子发生电离与激发，在IO秒内会生成离子、激发分 子与次级电子、以及生成反应能力极强的OH、 O、 H等活性自由基团，其中 OH是常用氧化剂中最强的氧化剂，它容易与酸电池的硫酸铅化合物S02等分 子反应生成H2S04。这些活性基团与PbS04发生一系列化学反应进而还原 H2S04，其简要过程可表示如下
e_+02 (空气中或电池内)—e— +202+
e— +H20 (空气中或电池内)~ e-+OH—+PT
S02 (电池内)+o—so3
502 (电池内)+OH-^HS03
503 + H20 (电池内)~>H2S04 HS03 + OH— —H2S04
本发明所运用的方法与电子束照射法、脉冲电晕等离子体法等方法其原理 基本相同，仅是放电方式与反应容器(介质或材料)的不同。因此，通过高能 电子与空气中的氧分子以及电池液的水分子碰撞，使之分解、电离，形成非热 平衡态等离子体，其中所产生的大量活性粒子(如OH—与HO与铅酸电池
12的硫酸铅化合物进行反应，使其能正常进行氧化还原化学反应。
由上述本发明的方法可知，利用特殊形状结构的碳材介质受体作为本发明 的介质阻挡放电的受体，确实可以使硫酸铅化合物S02等分子反应还原成
H2S04。
如图l、 2所示，本发明的用于铅酸电池还原硫酸铅化合物的装置，至少 包括
一高频电源产生装置，用于产生固定频率的高频电源，其至少包括有一 输入电路，用于提供电源，其至少包括有一交流电源AC、 一桥式整流器D1、 一滤波电容C1以及一滤波电感L1; 一升压电路，用于产生高压电源，其至 少包括有一高频隔离变压器Tl及一闸流体Ql;以及一用于调变脉冲宽度的
脉冲宽度调变(PWM)电路E。
一整流二极管D2，其连接于高频电源产生装置与铅酸蓄电池之间，用于 产生一正脉冲的高频电源施予电池进行充电；以及
一介质阻挡放电受体F，其连接于高频电源产生装置与铅酸蓄电池之间， 用于产生多数个等离子体与高频多频谐波施予电池进行还原硫酸铅化合物,促 使电池的电化学反应正常进行，进而延长电池的使用寿命；
该介质阻挡放电受体为碳材介质受体。
如图3、 4、 5、 6所示，上述本发明装置的碳材介质受体，其具有以下的 特征-
(1) 为氧化铝与碳所组成。
(2) 为海绵体结构。
(3) 内部有多数个呈不规则形状的空气隙供空气流通。
(4) 具有多数个非线性时变电阻与时变电容的受体。
(5) 为一有上升前缘斜率陡峭的高电压脉冲电晕放电的电压波形的材料。
(6) 可以产生多数个不同的等效电阻与等效电容效应。
(7) 可以产生多数个不同的高频多频谐波。(8) 可以产生多数个非热平衡态等离子体。
上述本发明的装置，如图2所示，其主要动作原理是将一般交流110V的 AC电源经过400V以上的桥式整流器Dl变成为直流(AC转为DC)电源， 再经过lOOuH以上的滤波电感L1与150uF以上的高压滤波电容C1整流后， 由闸流体Q1进行高频切换，形成高频切换电源，经过高频变压器升压，升压 后的高频输出电源经过整流二极管D2整流，形成正半周高频电流源后，由正 输出端输入铅酸电池正极板，并于负输出端连接一介质阻挡放电受体F，使电 路产生超高频多频谐波与多数个等离子体，由负输出端输入铅酸电池负极板。 其中该闸流体Ql是由一个(PWM)脉冲宽度调变IC所组成的调变电路E来控 制，该PWM脉冲宽度调变IC频率在10kHz 200kHz之间，使本发明的装置 在使用时，可以产生高频多频与等离子体。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1. 一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法，其特征在于，该方法至少包括有以下步骤1)、施加一高频电源到一整流二极管，用于产生脉冲高频电源施予电池进行充电；2)、施加一高频电源到一介质阻挡放电受体，用于产生等离子体与更高频的多频电源施予电池内部，进行还原硫酸铅化合物；以及重复以上的步骤，促使铅酸电池的电化学反应正常进行。
2. 如权利要求1所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法， 其特征在于，所述介质阻挡放电受体为氧化铝与碳组成的碳材介质受体。
3. 如权利要求1所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法， 其特征在于，所述介质阻挡放电受体为海绵体结构，其内部具有多数个成不规 则形状的空气隙供空气流通。
4. 如权利要求1所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法， 其特征在于，所述介质阻挡放电受体具有非线性时变电阻与时变电容的碳材介 质受体。
5. 如权利要求1所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法， 其特征在于，所述介质阻挡放电受体为产生高频多频谐波的碳材介质受体。
6. 如权利要求1所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法， 其特征在于,所述介质阻挡放电受体为产生非热平衡态等离子体的碳材介质受 体。
7. 如权利要求1所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法， 其特征在于，所述高频电源提供的频率为10kHz 200kHz之间，电压在 400V 500V之间。
8. 如权利要求1所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法， 其特征在于，所述脉冲高频电源提供的脉冲为一正半周脉冲。
9. 一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置，该装置至少包括有一 高频电源产生装置，用于产生高频电源； 一整流二极管，其连接于高频电源产 生装置与铅酸蓄电池之间，用于产生一脉冲高频电源施予电池进行充电；以及 一介质阻挡放电受体，其连接于高频电源产生装置与铅酸蓄电池之间，用于产 生等离子体与高频多频谐波施予电池还原硫酸铅化合物；其特征在于，所述的 介质阻挡放电受体为碳材介质受体。
10. 如权利要求9所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置， 其特征在于，所述介质阻挡放电受体为氧化铝与碳所组成的碳材介质受体。
11. 如权利要求9所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置， 其特征在于，所述介质阻挡放电受体为海绵体结构，内部有多数个呈不规则形 状的空气隙。
12. 如权利要求9所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置， 其特征在于，所述介质阻挡放电受体为一具多数个非线性时变电阻与时变电容 的碳材介质受体。
13. 如权利要求9所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置， 其特征在于，所述高频电源产生装置至少包括有、一输入电路，用于提供电源，其至少包括有一交流电源、 一桥式整流器、 一滤波电容以及一滤波电感；一升压电路，用于产生高压电源，其至少包括有一隔离变压器及一闸流 体；以及一用于调变脉冲宽度的脉冲宽度调变(PWM)电路。
14. 如权利要求9所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置， 其特征在于，所述高频电源产生装置提供的电压在400V 500V之间，频率在 10kHz 200kHz之间。
15. 如权利要求9所述的一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的装置， 其特征在于，所述整流二极管用于提供一正脉冲高频电源。 -
全文摘要
本发明公开了一种用于铅酸电池的还原硫酸铅化合物的方法及装置，其中装置包括一高频电源产生装置，一整流二极管，其连接于高频电源产生装置与铅酸蓄电池之间，一介质阻挡放电受体，其连接于高频电源产生装置与铅酸蓄电池之间，该介质阻挡放电受体为碳材介质受体；本发明方法至少包括有施加一高频电源到一整流二极管，用于产生脉冲高频电源施予电池进行充电；施加一高频电源到一介质阻挡放电受体，用于产生等离子体与更高频的多频电源施予电池内部，还原硫酸铅化合物，使电池氧化还原的电化学反应能正常运作，延长电池的使用寿命，本发明简易方便、成本低、效率高。
文档编号H01M10/42GK101453042SQ20071019943
公开日2009年6月10日 申请日期2007年12月3日 优先权日2007年12月3日
发明者赖炎卿, 黄思伦 申请人:黄思伦;赖炎卿