一种3d铅酸电池及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于化学电池领域，具体涉及一种3D铅酸电池及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 铅酸电池是一种蓄电池，至今为止已经拥有150年的发展历史，且到目前，铅酸电 池已经成为世界上产量最大的电池产品，其生产量占电池行业总量的50%，占充电电池的 70%。铅酸电池的主要原理是化学能转变成电能，其主要用于电动自行车、高尔夫球车、电 动滑板车，以及汽车启动等。
[0003] 铅酸电池主要包括电解槽、电解液以及阳极板和阴极板，其中电解液为职04溶 液，铅酸电池的阳极板和阴极板是整个电池的核心部件，它决定着铅酸电池的主要性能。极 板由板栅及板栅上的活性物质组成，板栅的主要作用有固定活性物质和输入或输出活性物 质电化学反应的电流。
[0004] 铅酸电池放电时为原电池，其在放电状态下的正极活性物质主要为Pb02，负极活 性物质主要为Pb，电极反应如下：
[0005] 负极：Pb+S042-_2e-= = =PbSO4 I
[0006] 正极：Pb02+4H++S0广+2e-= = =PbSO4 丨 +2H20
[0007] 总反应式为：Pb+Pb02+2H2S04= = = = = = 2PbS0 4I+2H20
[0008] 铅酸电池充电时为电解池，其在充电状态下的正负极的主要成分均为PbS04，电极 反应如下：
[0009] 阳极：PbS04+2H20-2e-= = =PbO2+4H++S042-
[0010] 阴极：PbS04+2e-= = =Pb+SO广
[0011] 总反应式为：2PbS04+2H20 = = = = = =Pb+Pb02+2H2S04
[0012] 现有铅酸电池集的板栅通常是将纯铅或含铅量达95%以上的铅合金经铸造、冷 拉冲孔的方式，做成厚度为〇.8-3mm的多孔网格板栅片状。然而，目前通过铸造、冷拉冲 孔制造出来的板栅通孔横截面面积最小也有50mm 2,而相邻的孔之间的间隔距离最小也有 1. 3mm，其体积比表面积最大也有1. 2m2/120cm3,体积比表面积较小，而铅酸电池板栅体积比 表面积小的铅箔存在以下不足：
[0013] 1)孔的尺寸大，电流需要绕行较长的距离，电流传输的路径长，因此，电流传输内 阻大；另外，相同质量的活性物质填充于网格板栅空隙内以及涂布于网格板栅的表面时，体 积比表面积越小，板栅单位面积承载的活性物质的量越大，因此，活性物质的厚度越大，即 活性物质离板栅的距离越长，所以，活性物质电化学反应产生的电流传输至板栅上的路径 越长，即电流传输内阻大；并且活性物质参与电化学反应时，靠近板栅表面的活性物质率先 参与电化学反应生成导电性不良的PbS0 4, PbS04增大了离板栅较远处的活性物质电化学反 应产生的电流的传输内阻，而活性物质离板栅越远，该内阻越大。
[0014] 2)电流传输内阻大，则板栅和活性物质发热量高，能耗损失大，化学能转换成有效 电能的量少，活性物质利用率低。
[0015] 3)电流传输内阻大，化学能和电能之间的转换效率低，因此化成和充放电的效率 低。
[0016] 4)板栅发热量高，化成和充放电的效率低、时间长，使得板栅被腐蚀的时间长，板 栅循环寿命短。
[0017] 综上所述，现有铅酸电池因其板栅的比表面积小，使得铅酸电池内阻大、活性物质 利用率低、化成和充放电效率低、循环寿命短。
【发明内容】
[0018] 本发明要解决的技术问题是提供一种内阻小、活性物质利用率高、化成和充放电 效率高、循环寿命长的3D铅酸电池。
[0019] 为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种3D铅酸电池，包括极 板，极板包括涂有活性物质的板栅，板栅为铅箔，铅箔上设有多个通孔，所述铅箔为冷轧铅 箔，铅箔呈波纹状，所述通孔的横截面面积为lmm 2-16mm2,相邻的通孔之间的间隔距离为 0? 4_L 2mm〇
[0020] 采用本发明技术方案的一种3D铅酸电池，其板栅包括铅箔，铅箔为冷轧铅箔，冷 轧铅箔的强度大、硬度高；铅箔呈波纹状，从而使得铅箔呈三维立体结构，进而使得铅箔的 比表面积大。
[0021] 铅箔上设有多个通孔，通孔的横截面面积以及相邻通孔之间的间隔距离相比于现 有技术都有较大的减小，从而使得其比表面积增大，本发明铅酸电池的铅箔的比表面积可 达 2. 3-2. 5m2/120cm3,相比现有技术增长了 91. 67-108. 33%。
[0022] 实施中，由于该3D铅酸电池板栅的体积比表面积大，孔的尺寸小，电流需要绕行 的距离短，电流传输的路径短，因此，电流传输内阻小；另外，对于相同质量的活性物质，体 积比表面积越大，板栅单位面积承载的活性物质的量越小，因此，活性物质的厚度越小，即 活性物质离板栅的距离越短，所以，活性物质电化学反应产生的电流传输至板栅上的路径 越短，即电流传输内阻小；并且活性物质离板栅的距离越短，电化学反应产生的PbS0 4对电 流传输的内阻便越小。
[0023] 而由于电流传输的内阻小，则板栅和活性物质的发热量低，能耗损失小，化学能转 换成有效电能的量多，活性物质利用率高；其次，化学能和电能之间的转换效率高，因此化 成和充放电的效率高；另外，板栅发热量低，化成和充放电的效率高、时间短，使得板栅被腐 蚀的时间短，板栅循环寿命长。
[0024] 综上所述，本发明的3D铅酸电池内阻小、活性物质利用率高、化成和充放电效率 高、循环寿命长。
[0025] 优选地，所述通孔的形状为均匀分布的正方形、长方形或菱形。正方形、长方形或 菱形均匀分布，在尺寸一定的情况下，可增大铅箔单位表面积内的通孔数量，从而使得铅箔 的比表面积进一步增大；另外，均匀分布的正方形、长方形或菱形的通孔可使得电流路径分 布均匀。
[0026] 优选地，所述铅箔的表面还设有中晶态层。中晶态层指内部原子排列不规律的晶 体层，通常为电镀层，中晶态层可使铅箔的硬度增大，耐腐蚀性提高，且由于中晶态层原子 排列不规律，使得微观导电面积增大。
[0027] 优选地，所述中晶态层为铅锡合金中晶态层。铅锡合金导电性能好，耐腐蚀性好。
[0028] 本发明的另一目的在于提供一种3D铅酸电池的制作方法，包括以下步骤：
[0029] (1)印膜：取冷轧铅箔，在其表面印刷感光油墨膜；
[0030] (2)煎膜：将印刷有感光油墨膜的铅箔烘干；
[0031] (3)曝光：用胶片挡住步骤⑵中铅箔需制孔的部位，并对其紫外线曝光；
[0032] (4)显影：用弱碱性溶液对步骤（3)中的铅箔清洗显影；
[0033] (5)刻蚀：将步骤⑷中的铅箔穿透刻蚀，得到通孔铅箔；
[0034] (6)波纹造型：将上述通孔铅箔冷压拉伸成波纹状，得到板栅。
[0035] (7)活性物质涂布：将活性物质涂满步骤（6)的铅箔表面，得到生极板；
[0036] (8)固化：将步骤（7)中的生极板进行干燥固化12-24h，干燥温度从45°C以3°C / h的速度升至75°C ;
[0037] (9)化成：将步骤（8)中的生极板进行充电化成，得到熟极板；
[0038] (10)组装：利用熟极板组装成铅酸电池。
[0039] 采用本发明的铅酸电池的制作方法，步骤（1)可根据需要裁剪相应尺寸的铅箔， 感光油墨膜可以感光，以便于后续步骤的曝光，感光油墨可采用市场上售卖的感光胶或感 光膜；步骤（2)可去除感光油墨膜上的水分，使感光油墨与铅箔贴合更紧密；步骤（3)中的 胶片上设有与铅箔待制孔一致的图案，且胶片图案处是黑色的，胶片图案处以外的部位是 透明的，以便使得图案以外的透明部位感光、曝光，黑色的图案处不感光、不曝光；步骤（4) 取下胶片，将铅箔用弱碱性溶液进行清洗显影，去除未曝光部位的感光油墨膜，使得铅箔上 显示出通孔图案，即需刻蚀的图案；步骤（5)将显影铅箔放入电解槽中，并将该铅箔作为阳 极，普通铅箔作为阴极，接通直流电源，阳极铅箔未曝光的部分在电解液中发生阳极电化学 腐蚀反应，随着反应的进行，阳极铅箔未曝光的部分逐渐被穿透刻蚀，从而得到带有通孔的 铅箔；步骤（6)将带孔铅箔置于波纹模具中冷压拉伸成波纹状，使得铅箔形成多孔三维立 体结构，增大铅箔的体积比表面积。步骤（7)将活性物质涂满步骤（6)铅箔的上下表面以 及用活性物质填充于通孔中，使得活性物质与铅箔的接触面积大，且可使得活性物质与铅 箔结合得更牢固；步骤（8)使得生极板干燥脱水，从而使得活性物质固化于铅箔表面，避免 其掉落，本发明采用一步固化法，其固化时间为12-24h，相比于现有技术两步固化法中的 56-62h，其效率有了较大的提高；步骤（9)充电化成是将正极活性物质中的游离铅完全转 化成二氧化铅；步骤（10)利用熟极板做为阳极板或阴极板，再加上盛有H 2S04溶液的电解槽 及其他铅酸电池组件一起组装成铅酸电池成品。
[0040] 优选地，步骤（5)和步骤（6)之间还包括步骤（A)，电镀：于步骤（5)中的成品外 电镀一层中晶态层。电镀可以使得分子无规律地附着在铅箔表面，形成中晶态层。
[0041] 优选地，步骤（5)中的刻蚀溶液为氟硼酸铅溶液或甲基磺酸铅溶液。