一种内置超声波电极体结构及其超声波电池的制作方法

1.本发明涉及蓄电池领域，特别是一种内置有超声波空化效应的蓄电池。


背景技术：

2.铅酸电池，是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。现有的铅酸电池，在电池使用一端时间后，在电极板表面会附着上硫酸铅晶体，随着硫酸铅晶体的增多，会阻碍到电极板与电解液的接触，进而影响到铅酸电池蓄电性能、充放电性能。久而久之，最终造成铅酸蓄电池的电极板还没完全损耗完，铅酸蓄电池就已无法蓄电和充放电了。
3.为此，针对铅酸电池，本技术人于2018年09月20日向国家知识产权局提出申请了一份专利申请号为201811098611.9、名称为“一种超声波铅酸蓄电池”的技术方案，该方案大致包括电池壳、电池盖、集群组、超声波换能器、振动条等部件。该方案将超声波换能器安装在电池顶部，振动条插入到正极板与隔板之间、及负极板与隔板之间的间隙，利用超声波换能器工作时，驱动振动条作高频超声波运动，来防止电池极板表面有硫酸铅结晶，使电池极板与电解液之间保持充分、全面接触，能极大地缓解蓄电池蓄电性能的衰减，延长蓄电池的使用寿命。虽然该技术方案与传统的铅酸蓄电池相比，大大缓解蓄电池蓄电性能的衰减，延长蓄电池的使用寿命，但是与其相伴而来的，也在一定程度上增加了电池构造的复杂性与体积，不是最优的解决方案。
4.锂离子电池主要由正极（limn2o4材料）、负极（石墨材料）、电解质与隔膜构成。在电源给电池充电时，正极上的电子从通过外部电路跑到负极上，锂离子从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。在电池放电时，负极上的电子从通过外部电路跑到正极上，锂离子从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。锂离子首先会从正极出发，经过电解质后抵达负极，而在电池首次充放电池，电极与液态电解质之间会形成固态电解质特性的钝化层，其名为固态电解质界面（sei）。sei 拥有双重身分，为电子绝缘体同时也是锂离子的优良导体，而该薄膜可保护电池、避免发生有害反应，并让锂离子在电极跟电解质之间来回穿梭，对锂离子电池性能来说，sei可说是关键要点，若sei性能不佳，电池会存有许多问题。一旦sei开始衰退，成堆问题便接踵而来，像是在多次充放电之后，锂电极就容易沉积不均匀并长出结晶，这些锂金属结晶会对锂离子移动构造遮挡，影响锂离子的移动，进而造成电池容量损失、充放电效率降低，或者是，随着锂金属结晶的不断增长，会刺穿隔膜，使正、负极短路，最终导致电池起火。此外，锂离子电池的工作环境温度为0-40℃，当环境温度低于0℃后，隔膜上的毛细孔，也俗称“小洞”，因热胀冷缩的原理而收缩变小，令锂离子较难或无法穿过隔膜，锂离子在电解液中也容易发生凝结，移动起较慢，造成锂离子电池无法正常充、放电，整体性能就会下降。因而，如何在寒冷气候环境保证锂离子电池正常充、放电，也是亟待解决的技术问题。
5.为此，针对锂电池，本技术人于2019年03月27日向国家知识产权局提出申请了一份专利申请号为201910235529.4、名称为“一种超声波智能升温防结晶锂电池”的技术方案，该方案大致包括锂电池、超声波换能器、温度传感器、控制电路板模块、超声波发生器、金属壳体等部件。该方案通过将超声波换能器设置于锂电池的金属壳体上，利用超声波换能器工作时产生的空化效应，减少或缓解锂电池内部的锂金属结晶形成，防止结晶遮挡或刺穿隔膜，延长锂电池的使用寿命；以及在寒冷气候环境下，也可以利用超声波的空化效应，能令锂电池内部的锂离子加速运动，促使其内部发生升温，解决锂电池在寒冷气候环境下的充、放电问题。虽然该方案与传统锂电池的相比，能很大程度在上解决了锂电池的结晶与在寒冷气候环境下的充、放电问题，但是与其相伴而来的，也在一定程度上增加了电池构造的复杂性与体积，而且在外部施以超声波，效率不高，不是最优的解决方案。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决上述问题和不足，提供一种内置超声波电极体结构，该方案通过将超声波振动元件置于电池极体的内部，工作时直接作用于电极部件上，促进电极部件内部的分子运动，消除电极部件结晶、防止结晶产生、延长电池使用寿命，且电极内分子运动，还能加速电流电子运动，提升充放电效率；而且电流电子运动迅速、畅顺了，还能避免电池发生鼓胞、爆炸的问题；并在极寒环境下，还能辅助电池升温，解决电池在冬天充放电效率低、无法正常工作的问题，并且还能大幅度降低超声波电池构造的复杂程度，使其可以往轻量化、模块化方向发展；在此基础上，本发明的进一步的目的在于提供一种充放电效率极高、防鼓胞、爆炸、安全性极高、性能优良、耐寒、防钝化、使用寿命长，且构造简单、容易生产，符合产业化发展的超声波电池。
7.本发明的技术方案是这样实现的：一种内置超声波电极体结构，包括正极体或负极体，其特点在于包括内置于正极体或负极体内部的超声波振动模块，所述超声波振动模块包括超声波振动元件及包覆于超声波振动元件四周表面的绝缘材料层，在正极体或负极体的顶端上或顶端外还设有与超声波振动元件相电性连接的接线端子。
8.在前述方案的基础上，本发明的进一步目的在于提供一种应用有前面内置超声波电极体结构的超声波固态锂电池，包括正极体、负极体、固态电解质、电池外壳，其特点在于包括分别内置于正极体与负极体内部的超声波振动模块，所述超声波振动模块包括超声波振动元件及包覆于超声波振动元件四周表面的绝缘材料层，在正极体与负极体的顶端上或顶端外还分别设有与超声波振动元件相电性连接的接线端子。
9.在前述方案的基础上，本发明的进一步目的在于提供一种应用有前面内置超声波电极体结构的超声波锂电池，包括正极体、负极体、电解液、电池外壳、隔膜，其特点在于包括分别内置于正极体与负极体内部的超声波振动模块，所述超声波振动模块包括超声波振动元件及包覆于超声波振动元件四周表面的绝缘材料层，在正极体与负极体的顶端上或顶端外还分别设有与超声波振动元件相电性连接的接线端子。
10.在前述方案的基础上，本发明的进一步目的在于提供一种应用有前面内置超声波电极体结构的超声波铅酸电池，包括正极体、负极体、硫酸溶液、电池外壳，其特点在于包括分别内置于正极体与负极体内部的超声波振动模块，所述超声波振动模块包括超声波振动元件及包覆于超声波振动元件四周表面的绝缘材料层，在正极体与负极体的顶端上或顶端
外还分别设有与超声波振动元件相电性连接的接线端子。
11.本发明的有益效果：（1）本发明的内置超声波电池极体方案，通过将超声波振动元件置于电池极体的内部，工作时直接作用于电极部件上，促进电极部件内部的分子运动，消除电极部件结晶、防止结晶产生、延长电池使用寿命，且电极部件内部的分子运动，还能加速电流电子运动，提升充放电效率；而且电流电子运动迅速、畅顺了，还能避免电池发生鼓胞、爆炸的问题；并在极寒环境下，还能辅助电池升温，解决电池在冬天充放电效率低、无法正常工作的问题，并且还能大幅度降低超声波电池构造的复杂程度，使其可以往轻量化、模块化方向发展。
12.（2）将电池极体方案应用于铅酸电池、锂电池、固态锂电池等上，就可以简单、方便地生产出相对应的超声波铅酸电池、超声波锂电池、超声波固态锂电池，这些电池具有充放电效率极高、防鼓胞、爆炸、安全性极高、性能优良、耐寒、使用寿命长，且构造简单、容易生产，符合产业化发展等优点，其与传统的电池相比，有效地解决了传统的非超声波的这类电池所存在的结晶、结晶刺穿、起鼓胞、漏液、爆炸、充放电慢、不耐寒、性能低等等不足。
13.（3）正极体、负极体、固态电解质的物质分子表面之所以会发生钝化，原由在于正极体与固态电解质（或电解液）、极体与固态电解质（或电解液）之间在充放电过程中，会产生充电或放电的化学反应，化学反应就会先从物质的表面入手，每化学反应后，就会产生分解后的无用物质，这些分解物质就会依附于正极体、负极体、固态电解质的表面上，进而就影响到了它们之间的化学反应，从而最终导致电池充放电性能、储电性能大大下降，使用寿命缩短，于是就有了电池的充放电次数的说法。然而，本发明通过在正极体、负极体、固态电解质的内部加入了超声波振动元件，利用了超声波工作时所带来的空化效应而形成的物质内部分子剧烈运动，产生分子之间相互摩擦，使分解后的无用物质掉落，进而使未解、未化学反应的表面，重新显现出，使电池在充放电过程中，电子能与其相接触到，参与化学反应，保持其性能。
附图说明
14.图1为本发明的正极体或负极体的原理示意图。
15.图2为本发明的超声波固态锂电池的原理示意图之一。
16.图3为本发明的锂电池的原理示意图。
17.图4为本发明的铅酸电池的原理示意图。
具体实施方式
18.实施例一：
19.如图1所示，本发明所述的一种内置超声波电极体结构，包括正极体1或负极体2，为了实现本发明提出的目的，其包括内置于正极体1或负极体2内部的超声波振动模块3。所述的内置是指安装或者在正极体1、负极体2加工，预先置入其中；这要看正极体1、负极体2所采用的生产原材料。例如，类似金属材料的，可以预留内腔空间，后期安装于其中；而类似非金属材料，可以在加工时，就预先将超声波振动模块3放于其中，一体成型而成。所述超声波振动模块3包括超声波振动元件31及包覆于超声波振动元件31四周表面的绝缘材料层32，在正极体1或负极体2的顶端上或顶端外还设有与超声波振动元件31相电性连接的接线
端子33。具体来说，如图1和图2所示，所述接线端子33可以安装于电池外壳5的顶面上，即正极体1、负极体2、固态电解质4的顶端外。本发明通过将超声波振动元件置于电池极体的内部，工作时直接作用于电极部件上，促进电极部件内部的分子运动，消除电极部件结晶、防止结晶产生、延长电池使用寿命，且电极部件内部的分子运动，还能加速电流电子运动，提升充放电效率；而且电流电子运动迅速、畅顺了，还能避免电池发生鼓胞、爆炸的问题；并在极寒环境下，还能辅助电池升温，解决电池在冬天充放电效率低、无法正常工作的问题，并且还能大幅度降低超声波电池构造的复杂程度，使其可以往轻量化、模块化方向发展。所述超声波振动模块3可以1mhz以上的超声波换能器或者1万转以的超声波振动马达。
20.实施例二：
21.本实施例二是将实施例一的内置超声波电极体结构运用于固态锂电池中，构建出的超声波固态锂电池的实施例。如图2所示，所述超声波固态锂电池包括正极体1、负极体2、固态电解质4、电池外壳5等，以及还包括分别内置于正极体1与负极体2内部的超声波振动模块3，所述超声波振动模块3包括超声波振动元件31及包覆于超声波振动元件31四周表面的绝缘材料层32，在正极体1与负极体2的顶端上或顶端外还分别设有与超声波振动元件31相电性连接的接线端子33。为了进一步提升超声波振动模块3在固态锂电池中的作用能效，如图2所示，所述固态电解质4中还设置有超声波振动模块3。
22.实施例三：
23.本实施例三是将实施例一的内置超声波电极体结构运用于普通锂电池中，构建出的超声波锂电池的实施例。如图3所示，所述超声波锂电池，包括正极体1、负极体2、电解液6、电池外壳5、隔膜7，以及还包括分别内置于正极体1与负极体2内部的超声波振动模块3，所述超声波振动模块3包括超声波振动元件31及包覆于超声波振动元件31四周表面的绝缘材料层32，在正极体1与负极体2的顶端上或顶端外还分别设有与超声波振动元件31相电性连接的接线端子33。为了进一步提升超声波振动模块3在锂电池中的作用能效，在电池外壳5内的电解液6中还设置有超声波振动模块3。
24.实施例四：
25.本实施例四是将实施例一的内置超声波电极体结构运用于铅酸电池中，构建出的声波铅酸电池的实施例。如图4所示，包括正极体1、负极体2、硫酸溶液8、电池外壳5，以及还包括分别内置于正极体1与负极体2内部的超声波振动模块3，所述超声波振动模块3包括超声波振动元件31及包覆于超声波振动元件31四周表面的绝缘材料层32，在正极体1与负极体2的顶端上或顶端外还分别设有与超声波振动元件31相电性连接的接线端子33。同理，为了进一步提升超声波振动模块3在铅酸电池中的作用能效，在电池外壳5内的硫酸溶液8中还设置有超声波振动模块3。
26.此外，需要特别说明的是，本发明的内置超声波电极体结构，不但可以用于铅酸电池、锂电池、固态锂电池，还可以用作氢氧电解装置或设备的正、负电极板使用，使氢氧电解装置或设备的正、负电极板不发生钝化，保持优良性为常态，增加氢氧制取效率。
27.另外，本发明所述的正极体1与负极体2可以根据电池类型进行选择相对应的材料，例如：应用在锌空气电池上时，所述正极体1与负极体2可以采用锌材料制作；应用在铝空气电池上时，所述正极体1与负极体2可以采用铝材料制作；应用在铅酸电池上时，所述正极体1与负极体2可以采用铅材料制作；应用在锂电池上时，所述正极体1与负极体2可以采
用适用于锂电池电极的材料制作。也就是说，所述正极体1与负极体2可以根据电池类型来选择与之相对应的制作材料。
28.以上结构方案的阐述，为本发明的优选实施方式的体现，但其并不代表对本发明技术方案保护范围的局限。在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些变形和改进均属于本发明的保护范围，均落入了本发明的保护范围。