CN1206940A - 电动车用铅酸动力电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种比能量和比功率在大,循环寿命大,可以快速充电和大电流放电的新型铅酸动力电池,采用多孔耐酸合金与纤维复合材料作极板基体,正负极板基体重量轻,比表面大,集流导电性能好,正负极极板与电解质反应迅速、稳定、可靠。并有足够的机构性能,焊接性能还可安电动车上的安装位置尺寸把极板组装成为立式或水平型铅酸动力电池,可以用于电动车作为动力电源。

Description

电动车用铅酸动力电池及其制备方法

本发明涉及的是一种比能量和比功率大、循环寿命长、可以快速充电和大电流放电的新型铅酸动力电池，具体地讲，这种新型铅酸动力电池是采用了新型正、负极板与结构的铅酸电池，及其制备方法，所述的电池可以用于电动车作为动力电源。

近几年，世界各国为了控制城市大气污染，大力开发推广电动汽车，电动座式摩托车，电力助动车，电动自行车等绿色交通工具，其核心问题是开发能与燃油发动机相比美的电动能源***，特别是可作为动力电源的新型可充电池。

现有技术制造的密封，阀控铅酸电池(VRLA)大部分采用传统的铸造的Pb-Ca、Pb-Sb、Pb-Sn合金板栅，为正负极板支撑活性物质和集流导电。由于正负极板的活性物质为结合性能差的铅和氧化的铅的粉末颗粒，而铸造的板栅，如同骨架用以支撑活性形成极板，为了有地保持活性物质，常将铅合金板栅铸造成带有横竖筋条的栅状，再把活性物质制成铅膏涂敷于板栅表面，使活性物质与板栅略为增加了些接触面积，而极板各电流汇集到极耳处，则主要通过各个筋条完成。

近几年，铅酸电池虽在活性物质人的制造技术，铅合金板栅的合金成分和制造技术，隔离材料、电解液的配方与控制以及壳体结构各个方面都有很有改进并大量推广应用密封阀控铅酸电池(VRLA)，把铅酸电池发展到一个新阶段。但由于比能量、比功率、循环使用寿命、快速充电等性能尚未适应电动车的使用要求，特别是现有密封阀控铅酸电池还有能适应有城市绿色交通具有广阔市场的电动座式摩托车、电力助动车、是动自行车等国车用作动力电源。

美国先进铅酸电池联合会(ALABC)对用于电动车用的铅酸电池提出的改进的指标为：

1、比能量50Wh/kg，100Wh/l(C/3放电)；

2、比功率＞200W/kg，＞500W/l；

3、循环寿命500周，三年使用期；

4、充电时间为50％ 5分钟，80％ 15分钟；

5、价格约$150/kwh(C/3放电)；

从上述的指标可以看出，现有的铅酸电池的各项指标与上述指标相去甚远。

本发明的目的是提供一种具有高比能量和比功率、循环使用寿命长、可快速充电等技术性能的新型铅酸动力电池，可用于电动自行车，电力助动车，电动座式摩托车以及电动高尔夫车等电动车作为动力电源。

下面是本发明的附图说明，通过附图说明并结合以下的详细说明，可以更清楚的理解本发明，其中：

附图一是本发明所采用的基体的制造工艺流程图；

附图二是本发明所采用的基体的制造工艺流程图；

附图三是本发明所述的铅酸动力电池的基本结构剖视图；

附图四是本发明所述的水平型铅酸动力电池在电动座式摩托车上安装位置示意图；

附图五是本发明所述的水平型铅酸动力电池(4格，8V)垂直剖面示意图。

本发明所述的电池的基本结构见附图3：包括多孔正极板(1)、多孔复合负极板(2)、压紧板(3)、多孔复合隔离板(4)、电解质(5)、电池壳体(6)、盖板(7)、封结剂(8)、安全阀(9)、挠性联结带(10)、正极(11)、负极(12)。

本发明目的，可以通过以下手段得以实施。

1、基体的制备如下所述：

所述的多孔耐酸合金的基体采用耐硫酸腐蚀的NiCrMo系或Ti合金为球状粉末，而Pb合金可用球状粉末，也可用片状粉末。

所述的球状和/或片状粉末优选采用CN95109468.8所述的方法和CN92242669.4所述的装置生产。

所有金属粉末都必须筛分分级。以利控制多孔耐酸合金基体的孔隙率和孔径尺寸。

填充剂重量比例为5-30％，选用在预烧一烧结过程中可完全挥发的金属无机盐类填充剂(碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢钠、松香等)。

金属粉末和填充剂在V型不锈钢混料器中，充分混合均匀。

经予处理的纤维(金属纤维或碳纤维)按配制比例与合金粉末、填充剂的混合物等均匀放入模具中轻压成型(压力500-2000kg/cm²)，在有保护气氛的连续烧结炉中进行预烧结，然后烧结制取多孔耐酸合金与纤维复合极板基体。

多孔铅合金与纤维复合极板基体的制造工艺的基本流程如图2，用于多孔铅合金与纤维复合极板基体的玻璃纤维、碳纤维，需进行表面予处理如化学镀Pb合金。以提高纤维与基体金属的结合力。

多孔钛合金与纤维复合极板基体的予烧、烧结，须在真空烧结炉中进行，以避免基体金属的氧化或脆化。

所述的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体的孔隙率约为70-85％，孔径150-400μm，厚度0.5-3mm，密度3g/cm³左右，约为铅合金板栅的1/3左右。

所述的基体具有良好的集流导电性能，用于制造12-24V，10-60AH铅酸动力电池的极板，可达到比能量40-45Wh/kg，比功率200-240W/kg(C3 80％DOD)，循环使用寿命400-500次，峰值电流95-280A(30秒)，快速充电10分钟充电50％，30分钟充电＞80％，可以用于电动座式摩托车、电力助动车、电动自行车等小型电动车作动力电源。

所述的多孔铅合金与纤维复合极板基体也可制成网眼织物状多孔铅合金和纤维复合极板基体。即将经予处理的短纤维(玻璃纤维和碳纤维)与铅合金粉末混合均匀，成型、烧结制成铅合金和纤维复合坯，加热挤压、轧制、拉丝，使混乱取向的短纤维，定向排列成为截面均匀的复合材料丝材，再编织成为网眼织物状多孔铅合金和纤维复合极板基体。可以用来制作大容量铅酸动力电池的极板。

下面的实施例1、2是有关基体的制备工艺和相关的测试数据。

                    实施例1

本实施例采用耐酸合金与纤维增强的形式制取多孔复合基体，其中，耐酸合金基体采用耐硫酸腐蚀的NiCrMoCu系球状合金粉末，所述的NiCrMoCu系球状合金中，Ni的含量约为17-30％，Cr的含量约为12-22％，Mo的含量约为1.5-4.0％，Cu的含量约1.8-4.0，Mn的含量约1.0-2.0，另外还含有微量的Ti和Nb，余量为Fe，其中，所述的合金中的C含量应该低于0.06，本实施例所采用的合金粉末采用CN95109468.8所述的方法和CN92242669.4所述的装置生产得到的，对得到的球状耐酸合金粉末按如下大小进行筛分分级：＜∮0.06、0.06-0.10、0.1-0.15、0.15-0.2、0.2-0.3、0.3-0.4mm等，将分级后的粉末备用，把合金重量的5-30％的金属无机盐类填充剂(碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢按、松香或其混合物)和球状耐酸合金粉末的配制料，在V型不锈钢混料器，充分混和均匀；再将配制好的基体合金粉末、填充料和经予处理的纤维(金属纤维或碳纤维)，均匀放入模具中轻压成型，予烧结，然后烧结(700-1100℃)制取多孔耐酸合金纤维复合基体。

在予烧---烧结时，金属填充物被分解或被炉内气体还原，金属盐中的非金属成分被挥发，而阻碍金属基体的孔隙收缩，而金属成分则被还原成金属，被还原的金属与基体金属熔合或基体金属中扩散；金属纤维则与基体金属形成冶金结合，增强金属基体并提高孔隙率。

多孔耐酸合金纤维复合基体的予烧和烧结，在氨分解气氛保护的连续式烧结炉中进行，也可在非连续烧结炉中，在保护气氛中进行予烧-烧结成为多孔耐酸合金与纤维复合基体，基体可随生产批量规模予以选定。

多孔耐酸合金与纤维复合极板基体厚度约0.5-3mm，宽度约60-150mm，长度约100-200mm，按铅酸动力电池的尺寸和容量大小推应，配备模具。

                  实施例2

本实施例是通过采用本发明所述的多孔耐酸合金与纤维复合基体制成铅酸动力电池极板的性能分析，进一步说明本发明所述的多孔复合极板基体的优点。

铅酸动力电池的基本结构如图3，包括：正极板(1)、负极板(2)、压紧板、隔离板(4)、电解液(5)、电池壳体(6)、盖体(7)、封结剂(8)、安全阀(9)、挠性联结器(10)、正极(11)、负极(12)等，上述结构是现有技术中铅酸电池的常规结构。

本实施例所述的电池，其正极板(1)和负极板(2)采用本发明所述的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体，活性材料采用具有良好活性的球状或片状铅粉粉末，所述粉末的颗度分布范围如下：+40目＜3％，+100目＜7％，～300目＞55％，氧化度60-80％，视密度1.5-1.8％/cm³，吸水率95-100ml/kg，并在正极铅膏中添加少量铅的氧化物，提高电池的容量和初始容量。在负极铅膏中添加少量NaHCO₃或NaCO₃提高负极板的孔隙率和高倍率放电性能。

本实施例所述的正极板(1)，负极板(2)采用具有良好活性和导电性能的导电材料作为导电添加剂，如高纯碳粉等，本实施例采用约15μm的超细黑珍珠碳黑和1-1.5％的碳纤维，有利于正负极板的集流导电，本实施例所述的超细碳黑的比表面积约1400-1500m²/g，密度约为150g/l。

球状或片状铅粉活性材料(90-95％)，导电材料、粘结剂的混合物(5-10％)以及去离子水、硫酸等高度混合，制成铅膏(糊)混合物，在连续涂敷机上，把铅膏(糊)混合物，控量挤压涂敷或滑动充填于多孔复合极板基体的孔隙与二个表面，经真空干燥制成生坯，再压制剪切成预定的规格。

把正、负极板生坯放入化成槽中，在硫酸水溶液中通入电流化成，使正极板的活性物质转化为PbO₂，负极板活性物质转化为海绵状金属Pb，然后水洗，浸硼酸，干燥，并将双片极板分为单片极板片，也可先组装成电池后进行闭口化成。

采用本实施例的正、负极板组装10-20V，10-60AH的铅酸动力电池的基本性能可达到比能量40-45Wh/kg；比功率200-240W/kg(80％DOD)；循环使用寿命400-500次；(C380％DOD)峰值电流95-280安培(30秒)，或155-460安培(80％DOD)；快速充电10分钟充电约50％，30分钟充电约80％。可用于电动座式摩托车、电力助动车、电动自行车、电动高尔夫车等作动力电池。把经过予处理的纤维(碳纤维、玻璃纤维、金属纤维)，与耐酸合金(NiCrMo系合金Pb合金)复合制成多孔复合极板基体取代传统的铸造铅合金板栅，上述取代可以减轻极板基体的重量，提高比表面，增加活性物质与基体的结合力，改善集流导电性能，为新型铅酸动力电池提高比能量，比功率，延长循环使用寿命，快速充电打好基础。

2、在正、负极板的活性物质-铅粉中加入少量导电材料(高纯碳粉、碳纤维)和粘结剂聚四氟乙烯等添加剂充分混合均匀制取铅膏；在正极的活性物质中适当加入铅的氧化物以提高活性，将混和均匀的铅膏，控量均匀涂敷于多孔耐酸合金和纤维复合极板基体的孔隙与表面，然后，固化、干燥加压、整形制成正负极生坯。

3、把正负极生坯放入化成槽中，在硫酸水溶液中，通入电流使正极活性物质转化为PbO2，负极活性物质转化为海绵状金属Pb，然后，水洗，浸硼酸干燥并将双片极板分为单片。也可先组装成电池再通电化成。

4、在电解液中加入少量添加剂(如钴盐、硫酸钠、硫酸钾)，抑制正极活性物质软化脱落，增强活性物质与极板基体的结合，提高电池的循环寿命。

5、采用孔隙高、电阻低的超细玻璃纤维颗粒砖石组成的多孔复合隔离板，以便充分吸收电解液，并使气体顺利通过隔离板为负极吸收。

6、新型铅酸动力电池的外壳采用ABS工程塑料压制整体槽和电池盖。电池分为6个单格，正负极端柱按使用要求放在电池长度或宽度方向。每一单格电池装有6片正极板，5片负极板，2片边极板。电池各单格之间采用挠性联结。并用粘合剂密封电池槽与盖。

7、按照电动座式摩托车、电力助动车、国自行车、电动高尔夫小车等不同类型电动车的安装位置大小，充电一次行驶距离，制造专用水平型铅酸动力电池。如电动座式摩托车把动力电池安装在踏板下，参见附图2，可把正、负极板和隔离板水平安装于电池槽，降低电池的高度，即水平型铅酸动力电池。

本发明所述的多孔耐酸合金与纤维复合极板基体的孔隙率70-85％，孔径150-400Mm，厚度0.5-3mm，密度3g/cm³左右，所述的密度约为铅合金板栅的1/3左右，具有良好的集流导电性能。用于制造12-24V 10-40AH铅酸动力电池，可达到比能量40-45Wh/kg，比功率200-240W/kg(80％DOD)，循环使用寿命400-500次(C3 80％DOD)，峰值电流(30’)90-300A，快速充电10分钟充电50％，30分钟80％。

所述的电池可用于电动座式摩托车，电力助动车，电动自行车，电动高尔夫车等。

                  实施例3

本实例采用多孔耐酸合金与纤维复合极板基体，在球状铅粉活性物质(表面氧化度65-80％，视密度1.5-1.8g/cm³，吸水率95-100ml/kg)，加入少量去离子水、硫酸、聚四氟乙烯与纯碳粉，碳纤维添加剂，充分混和均匀制取铅膏，正负极活性物比例1.1-1.2∶1、并在正极活性物质中加入少量铅的氧化物以提高活性。将混合均匀的铅膏，控量均匀涂敷于多孔耐酸合金和纤维复合极板基体的孔与表面，然后固化、干燥，加压整形制成厚度1-3.5mm±0.1极板生坯，密封包装备用。

极板生坯在化成槽稀硫酸电解质中化成，正极板上的三碱式或四碱式硫酸铅氧化成二氧化铅；负极板上的三碱式或四碱硫酸铅还原成海绵状铅。然后水洗、浸硼酸、干燥、分片组装电池。

也可采用先分片、组装在电池壳体中注酸通电化成。

本实例采用密封，阀控结构和吸液式多孔玻璃纤维和硅石复合隔离板，电解液加入微量添加剂(钴盐、硫酸钠)。

典型的电动车用铅酸动力电池的规格时性能如表1

          规格尺寸     重量 额定 电容量AH     比能量        比功率       峰值电流

             mm         kg   v      25°        25°         W/kg          Amp型  号     长   宽   高             C/3 C/1   C/3   C/1  30秒 80％ZDOD 30秒  80％DODSJLDB12-20  400  255  82    7    12   20  16     40.5  32    160     230   95      150SJLDB12-40  200  165  175   13   12   40  32     41.5  33.2  164     238   180     300SJLDB12-80  350  165  175   18.5 12   60  48     42    34    182     242   280     450

                  实施例4

根据本发明所述的铅酸动力电池，用于电动座式摩托车等小型电动车作动力电源，要求座式摩托车各主要部件的安装位置如图2所示：电动座式摩托车13，水平型硫酸动力电池18，高效永磁电机17，传动机构16，控制器15，指示仪表14。这种水平型电池的关键部件，多孔复合极板(1)、多孔复合负极板(2)，多孔复合隔离板(3)，压紧板(4)，挠性联结带(5)，都水平安装于电池壳体内，其结构布置垂直剖面如图3所示。

水平型铅酸动力电池的主要规格和特性如表2

             规格尺寸      重量 额定   电容量AH    比能量       比功率         峰值电流

                mm          kg   v        25°       25°        W/kg            Amp型号         长    宽    高              C/3  C/1 C/3   C/1  30秒  80％DOD  30秒  80％DODSJLDB12-20H   400   255   82    7    12    20   16   40.6  32.5  180     235     95      155SJLDB12-40H   400   255   86    12.5 12    40   32   41.7  33.4  165     240     190     305SJLDB12-60H   400   255   110   18.1 12    60   49   42.1  34.5  182     245     280     460SJLDB12-25H   275   240   115   13.6 24    25   21   44.1  37.0  161     238     98      160

本发明所述的铅酸电池的指标接近或达到了美国先进铅酸电池联合会(ALABC)对用于电动车用的铅酸电池提出的改进的指标。

Claims (5)

1、一种电动车用铅酸动力电池，包括正极板(1)，负极板(2)，压板(3)离板(4)，电解液(5)，电池壳体(6)，盖板(7)，封结剂(8)，安全阀(9)，挠性联结带(10)，正极(11)，负极(12)。其特征在于正、负极板基体是厚度0.5-3.0mm，孔隙率70-85％孔径150-400UM的耐酸合金与纤维组成的多孔复合基体，在多孔复合基体的孔隙中填充有活性物质球状或生状铅粉导电材料(高纯炭粉，碳纤维)90-95％，粘结剂和微量添加剂均匀混和的膏状混合物；同时在多孔复合基体的二个表面上形成上述混合物控量涂敷粘结压制层；在正负极之间隔有吸酸的多孔玻璃纤维和硅石粉混合的复合隔离板；电池电析的引出为高导电性嵌铜电极，单体电池之间极板用挠性联结带相连。

2、根据权利要求1的电动车用铅酸动力电池，基特在于所述正极板中间为多孔耐酸合金与纤维复合基体，在多孔复合基体的孔隙中充有均匀混合的状成片状氧化铅粉颗粒活性物质，导电材料(碳粉，碳纤维)和粘结剂的混全物。同时，在多孔复合基体二个表面形成活性物质，导电材料、粘结剂的混合物控量均匀涂敷的粘结压制活性层。

3、根据权利要求1所述的电动车用铅酸动力电池，其特征在于导电材料是超细黑珍珠黑和碳纤维。

4、根据权利要求1所述的电动车用铅酸动力电池，其特征在于极板活性材料的重量公差＜±2g，极板厚度公差＜±1％。

5、根据权利要求1年述的电动车用铅酸动力电池，其牲在于电极板可在电池壳内水平装配结构，极板之间和单格电池之间用挠性联结带。

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