電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池的製作方法

2023-09-23 16:13:35 1

專利名稱：電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及電動道路車輛(電動汽車、電動三輪車、叉車、旅遊觀光車、警務巡邏車等)用高比能量、深循環長壽命、能快速充電的排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池的設計製造方法，特別是對2-24V的整體蓄電池組的每個2V單體電池的充放電狀態及溫度的變化能進行適時監控，使用中無酸霧腐蝕，不汙染環境，遇外部明火不會引起電池爆炸。
背景技術：
鉛酸蓄電池是一類安全性高，電性能穩定，製造成本低，應用領域廣泛，可低成本再生利用的「資源循環型」能源產品。近十多年來，隨著世界能源經濟的發展和人民生活水平的日益提高，鉛酸蓄電池的應用領域在不斷地擴展，市場需求量也大幅度的升長。在二次電源中，鉛酸蓄電池已佔有85%以上的市場份額，隨著人類對太陽能、風能、地熱能、潮汐能等自然能源的開發利用和電動道路車輛產業的發展，鉛酸蓄電池作為不消耗地球資源的 「綠色」產業，將面臨著廣闊的發展空間。新能源電動道路車輛的快速發展，大大促進了蓄電池的研究開發，新能源電動道路車輛要求蓄電池具有大容量——滿足行駛裡程多、高功率——滿足啟動加速快和爬坡能力強、充電時間短決速補充能量、監測維護方便、綠色環保無汙染和深循環長壽命，鉛酸蓄電池的性能要完全達到這些要求，目前成了新能源電動車輛研究開發廣泛應用的最大難題。
目前所使用的電動道路車輛用排氣式鉛酸蓄電池，需求量最大的為電動三輪車用蓄電池。到目前為止，我國電動三輪車的保有量早已超過1000萬輛，每輛車配4-6隻 12VIOOAh蓄電池，相當於年消耗鉛酸蓄電池5000萬隻左右。其中，除少部分電動三輪車使用閥控式密封鉛酸蓄電池外，絕大部分都使用排氣式管式鉛酸蓄電池，這種電池的結構如圖2所示。負極板25使用以鉛為主的活性物質鉛膏填塗於鉛合金板柵上，再經過固化和乾燥處理，製成負生極板。管式正極板24的製造方法如圖5所示，首先使用鉛合金鑄造正板柵 51，然後將滌綸排管52套在正板柵51上，再採用震動「灌粉法」將鉛粉 裝填到套在正板柵 51上的滌綸排管52中，最後用塑料堵頭53封堵下端，必須再經過浸酸、固化和乾燥處理，才能製成正生極板58。這種正負生極板必須再經過化成後才能製成正極板24和負極板25。 正負極板與隔板26 (PE隔板、PVC隔板、PP隔板或橡膠隔板)交互重疊在一起形成極群，同一極群的管式正極板耳通過正匯流排27與正極柱31或正偏極柱30相連接，負極板耳通過負匯流排28與負偏極柱29或負極柱相連接，組成一個單體電池極群組，再將6個這種極群組按要求分別插入同一電池槽21的6個單格內，再將相鄰兩格的正偏極柱和負偏極柱用氣焊法或穿壁焊法焊接在一起，就形成一個未封蓋的12V半成品電池，然後再將電池蓋22用熱封法與電池槽21熔接在一起，正極柱穿過圖3A和圖3B所示的電池蓋上的正鉛套35的中心孔，負極柱穿過負鉛套36的中心孔，使用氣體焊接法將負端柱32、負鉛套36和負極柱焊接在一起，再將正極柱31、正鉛套35和正端柱焊接在一起，通過排氣塞孔37加入硫酸電解液，安裝好排氣塞23，就製成了一隻目前大量使用的12V電動三輪車用排氣式管式鉛酸蓄電池。這種蓄電池在過充電時，正極板上產生氧氣，負極板上產生氫氣，氫氧氣體穿過排氣塞中與大氣相通的小孔攜帶著硫酸酸霧直接排入空氣中，既汙染了環境，又嚴重腐蝕車輛設備，在使用過程中同時還造成電解液中的水大量損失，就需要適時打開排氣塞給蓄電池補加水。
這種排氣式鉛酸蓄電池所使用的電池蓋設計簡單，其結構如圖3A和3B所示。圖 3B顯示電池蓋下部結構，圖3A顯示電池蓋上部表面的結構。這種12V電池蓋上只有一個正鉛套35的中心孔和一個負鉛套36的中心孔，它的6個2V單體電池之間的連接靠左右偏極柱用氣體焊接法或穿壁焊熔接在一起。再將上述未封蓋的12V半成品蓄電池的電池槽和電池蓋送入熱封機，使用熱熔接法將電池槽蓋熔接在一起。各個2V單體電池間的連接極柱完全被封閉在電池內部，不能伸出到電池蓋上部表面。只有正端極柱能穿過正鉛套35的中心孔、負端極柱能穿過負鉛套36的中心孔伸出電池蓋上表面。因此，這種排氣式鉛酸蓄電池的電壓和溫度只能以一個12V整體蓄電池進行監測和控制。對於6個2V單體電池的充放電狀態及溫度變化情況實施單獨監測和控制完全是不可能的！因此，這種蓄電池要用於電動道路車輛，它的故障發生就難於預測和克服，其可靠性極差，故障率很高。
這種老式結構的12V排氣式鉛酸蓄電池，在電池蓋上的6個排氣塞孔37上，可安裝6個排氣塞23，這種排氣塞如圖7所示，71是排氣塞23的正視圖，72是M-M剖面圖。這種排氣塞由塞體75和中心開有小孔的塞蓋76兩部分組成，用聚丙烯材料注射加工製造，排氣塞的通氣孔直接與大氣相通，如圖7中78線路箭頭所示通道。排氣塞和電池蓋之間靠橡膠密封圈密封，可防止硫酸電解液溢出。在常規充電狀態下，電池內部不斷產生氫氧氣體， 這種氣體通常都攜帶硫酸酸霧，它直接由排氣塞的小孔排除到大氣中，造成環境汙染、車輛設備腐蝕。如果排氣塞正處於排氣狀態，外部明火就易於引爆蓄電池，造成設備或人員損傷。
這種排氣式蓄電池，一般都是採用管式正極板，以10小時率計算容量，活性物質的利用率很低，大於O. 2C10A的電流放電時，其放電性能就極差，要達到GB/T 18332. 1-2009 電動道路車輛用鉛酸蓄電池標準要求就很困難。其活性物質利用率低的一個主要原因是管式正極板的厚度大，它的厚度取決於管子的直徑，目前大量使用的滌綸排管，其最小管徑也大於6mm。在放電時，正極板內部的小孔被生成的難溶硫酸鉛晶體堵 塞，在正極板內部要補充放電所需要的硫酸受到了阻礙，正負極板間的放電就難於繼續進行。特別是在高率放電時，正極板內部需要快速補充硫酸，這樣就很難達到目的。
這種管式正極板蓄電池，其電池槽使用的牽引車用鉛酸蓄電池槽結構，在槽底部都設置有10_20mm高的鞍子，以滿足使用壽命期間從正負極板脫落的活性物質不會造成正負極板底部連接短路，損壞電池。因此，這種鞍子的設置就減小了蓄電池的有效利用空間， 降低了體積比能量值。
這種管式正極板蓄電池，它的製造工藝複雜，特別是正極板的「灌粉」工序，工作場地的鉛粉塵和噪音汙染特別嚴重，容易造成工人鉛中毒。這種蓄電池的體積比能量和重量比能量都較低，容量小，高率放電性能差，使用過程中有酸霧排除，既腐蝕車輛設備又汙染環境。以12V100Ah蓄電池為例，GB/T 18332. 1-2009電動道路車輛用鉛酸蓄電池標準規定， 它的最大外形尺寸為372X 172X276mm，其相應3小時率體積比能量約為68VAh/dm3。發明內容
本發明提供一種新穎的大容量、高功率、深循環壽命長、能快速充電的排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池的設計製造方法和用這種方法所製造的2-24V蓄電池組，特別是對2-24V 的整體蓄電池組的每個2V單體電池的充放電狀態及溫度的變化能進行適時監控，無酸霧排除腐蝕車輛設備和環境汙染，遇明火也不會引爆電池。本發明主要通過以下設計和製造措施來實現。
本發明電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池，以12V蓄電池為例，但不限於12V蓄電池，其結構如

圖1所示。這種排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池主要由電池槽1、電池蓋2、防酸隔爆塞3、金屬連接鉛套4、電壓監測螺絲柱14、感溫器插孔13，正極板5、負極板 6、正隔板7、負隔板8、負極柱9、正極柱10、正匯流排11、負匯流排12和硫酸膠體電解液組成。
本發明蓄電池的電池槽I的底部不設置鞍子，設計為平底，它可以將鞍子的高度變為蓄電池極板的增加高度，有利於提高蓄電池的體積比能量。
本發明蓄電池，其電池蓋2設計新穎獨特，以12V蓄電池為例，但不限於12V電池， 其結構如圖4A和4B所示。圖4B顯示電池蓋下部結構，它為一個整體的簡易熱封型結構， 電池槽蓋均使用聚丙烯塑料製造，這種結構特別適用熱封機的電熱板製造，簡單易行，使用及維護方便可靠。圖4A顯示電池蓋上部結構，電池蓋的上部設置有6個感溫器插孔46和 5個電壓監控螺絲孔45，電池蓋上設置有6個加液孔43和12個極柱穿出孔，其中有I個正端柱鉛套孔41、1個負端柱鉛套孔42和10個單體電池之間的連接極柱鉛套中心孔44。相鄰兩個 單體電池極柱之間的連接採用連接金屬鉛套嵌件4連接。
連接金屬鉛套嵌件4的結構如圖9所示。每個連接金屬鉛套嵌件4由設置有極柱穿出的鉛套孔44的兩個鉛套92和一個連接金屬牌91構成，其連接金屬牌的中心備有電壓監控螺絲孔45及其螺柱，相鄰兩個單體蓄電池的正負鉛合金套使用連接金屬牌91連接，連接金屬牌91採用密度比鉛小、導電性能比鉛優良的金屬銅、鋁、鎳等製造，在其表面鍍鉛或鉛錫合金，經過這種處理的金屬牌在鑄造時與鉛合金的熔接更加牢固可靠，其界面的導電性能更加優越，具有更佳的抗腐蝕性能和耐氣候性能。這種整體連接金屬鉛套嵌件4，在電池蓋注射成型前就嵌入模具內，在注射成型時一起被嵌入聚丙烯塑料電池蓋內，形成一個電池蓋整體。電池槽蓋熱封熔接以後，各極群的極柱穿過鉛套孔伸出電池蓋外，然後採用氣體焊接法將鉛套和極柱熔接在一起，它既完成了相鄰兩個單體電池的連接，又完成了各個極群與電池蓋的密封。
本發明蓄電池的電池蓋使用聚丙烯製造，每個單格內設置有感溫器插孔13，插孔壁厚小於I _，這樣既可以確保感溫器對電池溫度變化的適時準確檢測，又可以避免感溫器被硫酸電解液的腐蝕。其相鄰兩個2V單體電池之間設置有一個公用的電壓檢測連接螺絲孔45，電動道路車輛的主控制線路不但可以通過每個插孔中的感溫器監測每個2V單體蓄電池的適時工作溫度，還可以通過電壓監測控制線路連接螺絲孔45適時監測到每個2V 單體蓄電池的工作電壓，它可以實現對每個2V單體電池的工作電壓和溫度進行適時監控和故障報警。
本發明蓄電池所使用的防酸隔爆塞3的設計結構如圖8所示，圖8中81是防酸隔爆塞3的正視圖，82是H-H剖面圖。塞體85和蓋片86均由聚丙烯塑料注射成型，其中的防酸隔爆裝置87由陶瓷或聚四氟乙烯材料製造，88表示攜帶硫酸酸霧的氫氧氣體進入防酸隔爆塞後被防酸隔爆裝置87阻斷，它可以讓電池在過充電時所產生的氫氧氣體順利通過， 同時全部阻擋氫氧氣體所攜帶的硫酸，只讓氫氧氣體排入大氣，還能隔斷外部明火進入蓄電池內部引發電池爆炸。本發明排氣式蓄電池安裝這種防酸隔爆塞後，它就既具有閥控式密封鉛酸蓄電池無酸霧排除腐蝕設備不汙染環境的優越性，又具有密封蓄電池遇明火不爆炸的特徵，同時還可以打開防酸隔爆塞及時補充蓄電池的水損失，克服閥控式密封蓄電池不補加水致使電解液幹固而造成電池壽命終止的致命缺陷。
本發明蓄電池的正負極板使用CNI02110797A專利技術製造，用以鉛為主的活性物質鉛膏填塗於圖6所示的鉛鈣多元合金板柵61上，製造成生極板65，經過固化、乾燥和化成後製成正極板5和負極板6，正極板5的兩表面用以超細玻璃纖維為主的U形AGM隔板7 包覆，負極板6的兩面可配置AGM隔板、PE隔板、PP隔板、PVC隔板和橡膠隔板中的任意一種，最理想的是配置AGM隔板，其次是PE袋式隔板，然後，將正負極板和隔板交互重疊在一起形成極群，同一極群的正極板耳通過正匯流排11與正極柱10相連接，負極板耳通過負匯流排12與負極柱9相連接，組成一個單體電池極群組。再將6個這種極群組按要求分別插入同一電池槽I的6個單格內，再將相鄰兩格的正極柱和負極柱的位置調整正確，這就形成一個未封蓋的12V半成品電池。再將電池蓋2用熱封法與電池槽熔接在一起，採用氣體焊接法將各個極柱和嵌在電池蓋中的鉛套焊接在一起，安裝好極柱小蓋片，通過電池蓋上的防酸隔爆塞孔43加入硫酸膠體電解液，裝上防酸隔爆塞，就製成了一隻本發明12V電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池。這種蓄電池在過充電時，正極板上所產生的部分氧氣可穿過AGM隔板被負極板吸收，在使用過程中無硫酸酸霧排除，既不汙染環境，又不會腐蝕車輛設備，遇外部明火還不會引起電池爆炸。目前，一般生產的12V蓄電池的12個極柱都採用5個左偏極柱、5個右偏極柱和2 個端極柱三種極柱，這三種極柱都使用鉛合金製造。本發明12V蓄電池所使用的12個極柱統一為兩種極柱，使用10個鉛合金極柱代替左右偏極柱，採用設置有連接螺絲孔的金屬嵌件鉛合金極柱作為正負端極柱。這種極柱由銅合金嵌件和鉛合金兩部分組成，上部為銅合金嵌件，下部為鉛合金鑄造。銅合金嵌件的下部為正方形，其對角線的長度小於上部直徑， 中部開有環形溝槽，嵌件上部中心備有連接螺絲孔，銅合金嵌件先鍍鉛錫合金，再在特製的模具中鑄造鉛合金，製成帶銅嵌件的鉛極柱。這種設計結構和製造工藝可以確保金屬嵌件和鉛合金的連接牢固可靠，在旋轉螺絲的強大力矩作用下既不會發生左右旋轉，也決不會產生上下位移。三種極柱合併為兩種極柱，減少了製造模具，簡化了生產管理。本發明蓄電池的極柱可採用重力鑄造法製造，保證表面光滑平整。
本發明蓄電池的極柱和電池蓋的密封連接採用氣體焊接法直接將鉛合金極柱和預先注射在電池蓋中的鉛套熔接在一起密封。這種方法密封性能優良，工藝簡單，加工方便快速。
為了提高蓄電池的比能量和比功率，改善蓄電池大電流放電性能，本發明電動道路車輛用蓄電池採用放射板柵的薄極板設計，正負板柵都採用放射板柵設計，其結構如圖6 中61所示。對於不同電動道路車輛對蓄電池的電氣性能的具體要求，正板柵的厚度設計為1.5-2. 5mm,負板柵的厚度為1. 0-1. 5mm0正板柵採用本發明人研製的低I丐多元鉛合金製造， 其鈣含量為O. 03-0. 06%。負板柵採用本發明人研製的鉛鈣錫鋁四元合金(詳見「低銻多元合金和鉛一韓一錫一招四元合金的研製」《電源技術》第1991年5期P35-41)製造，其鈣含量為O. 08-0. 10%ο採用薄極板，使用極板的數量增加,導電面積加大,極板間距離減小，電池內阻可變小，這樣可以改良電池的大電流放電性能。極板減薄以後，活性物質利用率可大大提高，容量也自然會增大。
本發明電動道路車輛用排氣式鉛酸蓄電池正極板採用前述低鈣多元鉛合金正板柵填塗正鉛膏，這種正鉛膏採用含75-85%氧化鉛的鉛粉、密度為1. 32的稀硫酸、石墨、平均粒徑為3-15nm 二氧化矽細粉末O. 1_2%、木素O. 05-0. 5%、滌綸短纖維和離子交換水混合而成。混合好以後的鉛膏視密度控制在4. 1-4. 3，鉛膏的針入度控制在機器塗板的最佳區間。填塗鉛膏以後，經過表面乾燥爐快速乾燥，使其表面水份蒸發，然後收集於特製的涼片架上，送入固化室固化48小時，在80°C以上的溫度乾燥12小時以上，就獲得成品正生極板。 這樣製得的正生極板由於在鉛膏中添加了木素，即使在高溫條件下乾燥，正生極板的活性物質中也很難生成四鹼式硫酸鉛，它可以提高幹燥效率和化成效率。因為，不添加木素的正極活性物質在固化後的乾燥過程中容易產生四鹼式硫酸鉛，特別是在高溫條件下乾燥，四鹼式硫酸鉛更容易生成。在正極板活性物質中的四鹼式硫酸鉛在化成過程中很難轉化為二氧化鉛，它增加了化成的難度。而且，隨著正極活性物質中四鹼式硫酸鉛含量的增加，其固化後的乾燥過程中要將這種四鹼式硫酸鉛中的結晶水去掉就比較困難，必須延長乾燥時間和提高固化後的乾燥溫度。
前述正生極板和用常規方法製造的負生極板，通過化成以後所形成的正極活性物質中由於添加了不同粒徑的二氧化矽粉末，在正極活性物質內部二氧化矽附近生成大量的小孔,這些小孔中可以儲存硫酸電解液,在充電時所產生的硫酸可以通過這些小孔排出到活性物質外部，放電時活性物質內部所需要的硫酸又可以獲得及時補充，它不但可以滿足電動道路車輛用排氣式鉛蓄電池高率放電和大電流快速充電的要求，而且還能極大地提高活性物質的利用率，增加蓄電池的放電容量，擴大蓄電池的比能量。同時，二氧化矽粉末在蓄電池使用過程中，它不會發生電化學反應，能穩定地保持在正極活性物質內部，使正極活性物質內部承載電化學反應的骨架結構穩定，正極活性物質的過早軟化就可以得到遏制， 蓄電池的使用壽命就可以大大延長。
本發明蓄電池的電解液採用硫酸膠體電解液，它的組成如下硫酸含量為 36-45%，粒徑7nm的氣相二氧化矽含量為O. 4-1. 2%，粒徑12nm的氣相二氧化矽含量為2.8-4. 0%，聚丙烯醯氨含量為O. 4-0. 7%，磷酸含量為1. 0-1. 2%，聚乙烯醇含量為O. 1-0. 2%， 硫酸亞錫含量為O. 1-0. 2%，硫酸鋰含量為O. 1-0. 2 %，其餘為離子交換水含量47-59%。這種膠體電解液以氣相二氧化矽為膠體主成分，加入數種摻雜劑，採用控溫反應釜，將氣相二氧化矽顆粒部分潤溼後用機械的力量可使剩餘的聚團粉碎破解。浸溼過程中的攪拌能增加聚團的碎解程度，從而也就加快了整個的分散過程，加速了氣相二氧化矽微粒表面的化學反應。這種反應設備也可以用控溫攪拌桶或用自製高速攪拌機，其功率一般要在2000 3000瓦，轉速應在3500 6000轉/每分鐘範圍，強力攪拌30-50分鐘，使團聚的氣相二氧化矽顆粒碎解懸浮，使聚丙烯醯氨和聚乙二醇分散均勻。然後再加入含規定濃度的磷酸、硫酸亞錫、硫酸鋰的稀硫酸溶液攪拌均勻，就配製好硫酸膠體電解液。這種膠體電解液與普通的AGM超細玻璃纖維隔板聯合使用，就能得到高性能的電流輸出、深循環壽命性能優良、高的比功率、高的充電效率、耐過充、充電重複性好、充電穩定性好。作為動力用的本發明蓄電池，完全能滿足壽命期間少維護、長壽命、工作溫度寬、瓦時價格低、體積比能量優異、重量比能量高、自放電率低的要求。
本發明電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池，以12V100Ah電池為例，其最大外形尺寸為長336mm，寬172mm，高222mm，質量為36Kg。按照GB/T 18332. 1-2009電動道路車輛用鉛酸蓄電池標準要求，第I次3小時率容量應不低於額定容量的90%，本發明蓄電池的3小時率首次容量可大於額定容量的110%，即大於llOAh，其使用中的實際容量可以超過額定容量的130%，即超過130Ah，其最大容量可達140Ah以上。按國家標準要求，大電流放電時間不少於40min.,本發明蓄電池的大電流放電時間大於50min.。按國家標準要求，快速充電能力試驗的放電容量應不小於額定容量的70%，本發明蓄電池的快速充電能力試驗的放電容量大於額定容量的100%，在2-3小時內可完全充好電。按照國家標準要求，蓄電池完全充電後，在溫度25°C ±2°C環境中，以O. 75I3(A)的電流放電3h，然後以恆壓 14. 40V±0. 1V[限流O. 9I3(A)]充電9小時為一次循環，每50次循環檢查一次3小時率容量，當容量降至額定容量80%以下認定為壽命終止，其循環壽命次數應不少於400次，本發明蓄電池的循環壽命可大於600次。本發明蓄電池的3小時率質量比能量大於43VAh/Kg， 其3小時率體積比能量大於121VAh/dm3，這個數值是GB/T 18332. 1-2009電動道路車輛用鉛酸蓄電池標準要求合格值的1. 7倍以上。
圖形說明圖1，本發明電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池結構圖。
圖2，目前使用的電動道路車輛用排氣式鉛酸蓄電池結構圖。
圖3A，目前使用的電動道路車輛用排氣式鉛酸蓄電池蓋上部結構圖。
圖3B，目前使用的電動道路車輛用排氣式鉛酸蓄電池蓋下部結構圖。
圖4A，本發明電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池蓋上部結構圖。
圖4B，本發明電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池蓋下部結構圖。
圖5，目前使用的電動道路車輛用排氣式蓄電池正板柵和正極板結構圖。
圖6，本發明蓄電池用正板柵和正極板結構圖。
圖7，現用排氣塞的結構圖。
圖8，本發明蓄電池用防酸隔爆塞的結構圖。
圖9，本發明蓄電池用連接金屬鉛套嵌件結構圖。
圖10，本發明2V單體蓄電池結構圖。
圖11，本發明另一類整體蓄電池組結構圖。
具體實施方式
以下是本發明電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池具體實施例的詳細說明。
實施例1本發明實施例1以12V100Ah蓄電池為例，其結構如圖1所示，電池最大設計外形尺寸為長336_，寬172_，高223_。這種排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池主要由電池槽1、電池蓋2、 防酸隔爆塞3、金屬連接鉛套4、電壓監測螺絲柱14、感溫器插孔13，正極板5、負極板6、正隔板7、負隔板8、負極柱9、正極柱10、正匯流排11、負匯流排12和硫酸膠體電解液組成。
電池槽的設計高度為2 09mm，分為6個單格，電池槽單格之間的壁厚1. 2mm,電池槽的四周外壁及底部的厚度均為3_，電池槽底部設計為平底，脫模斜度小於O. 3%。
電池蓋的設計結構如圖4A和圖4B所示，電池蓋高18mm，電池蓋下部與電池槽對應分為6個單格,單格之間的壁厚度為5mm,其四周的外壁厚度為3mm,電池蓋頂部壁厚2mm。 電池蓋下部結構為一個整體的簡易熱封型結構，電池槽蓋均使用聚丙烯塑料製造，槽蓋的連接採用熱熔融法熔接。
電池蓋的上表面設置有6個直徑為5mm的感溫器插孔46,孔深14mm,孔底部及壁厚都小於1_，可確保所插入的感溫器準確監測每個2V單體蓄電池運行溫度的變化，進行適時溫度監測和預報及報警。
電池蓋的上表面設置有5個M6電壓監控螺絲孔45及其直徑為12mm的螺絲柱14， 車輛的主控電壓監測器和主控電壓均衡器線路直接連接在監控螺絲孔45和正負端柱上， 承擔對每個2V單體電池的充放電電壓監測控制和過電壓、欠電壓及故障報警，同時對每個 2V單體電池間的運行電壓差進行均衡調節。
電池蓋上設置有6個直徑為20mm的加液孔43，其孔壁上設置有安裝防酸隔爆塞的卡扣，電解液從加液孔中加入電池內，防酸隔爆塞與電池蓋的密封使用橡膠密封圈，在電池使用過程中，可隨時打開防酸隔爆塞補充損失的水。
電池蓋上還設置有12個極柱穿出孔，其中有I個正端柱鉛套孔41、1個負端柱鉛套孔42和10個單體電池之間的連接極柱鉛套孔44。相鄰兩個單體電池極柱之間的連接採用如圖9所示的連接金屬鉛套嵌件4連接，這種連接金屬鉛套嵌件和正負鉛套嵌件在電池蓋注射加工之前就放入特製的電池蓋模具中，注射形成整體電池蓋。
電池槽蓋的熱封面最大熔融高度各為2mm。電池槽蓋必須嚴格按以上設計製造。
本實施例12V蓄電池所使用的12個極柱統一為兩種極柱，相鄰兩個單體電池間的連接使用10個鉛合金極柱，採用設置有連接螺絲孔的金屬嵌件鉛合金極柱作為正負端極柱，這種正負端極柱由銅合金嵌件和鉛合金兩部分組成，上部為直徑IOmm的銅合金嵌件， 下部為鉛合金鑄造。銅合金嵌件的下部為正方形，其對角線的長度小於上部直徑，中部開有環形溝槽，嵌件上部中心備有M6連接螺絲孔，銅合金嵌件先鍍鉛錫合金，再在特製的模具中鑄造鉛合金，製成帶銅嵌件的鉛極柱。採用氣體焊接法將12個極柱與其相應的鉛套焊接在一起，實現極柱和電池蓋的密封。
本發明蓄電池實施例1所使用的正負板柵，同樣以12V100Ah為實例，板柵高 184mm,寬150mm,正板柵厚1. 5mm,負板柵厚1. 1mm。正負板柵均採用放射型板柵設計,如圖 6中61所示。正板柵採用本發 明人研製的低鈣多元鉛合金製造，其鈣含量為O. 05%。負板柵採用含鈣O. 1%、含錫O. 3%、含鋁O. 025%的鈣錫鋁四元鉛合金製造。
本發明蓄電池實施例1所用的正極鉛膏由鉛粉、硫酸、二氧化矽粉、木素、滌綸短纖維和離子交換水製成。鉛粉的氧化度為75-85%，硫酸的用量為每千克鉛粉50克，平均粒徑為7nm的二氧化矽粉末O. 3%,木素O. 15%,滌綸短纖維O. 1%，離子交換水14%。製造鉛膏時，先將稱量的鉛粉放入合膏機中，快速加入6%的離子交換水，開機混合5min，然後將含有規定量二氧化矽粉末、木素和滌綸短纖維的混合乳濁液加入合膏機中再混合5min，最後慢慢加入規定量密度為1. 32的硫酸溶液，混合均勻後，再用少量水將鉛膏針入度調整到機器塗板的最佳範圍並達到鉛膏視密度4. 2，即可進行填塗鉛膏。每張正板柵填塗正鉛膏178 克。負鉛膏由鉛粉、硫酸、硫酸鋇、木素、腐殖酸、乙炔黑和離子交換水製成，其視密度為4. 3，每張負板柵填塗負鉛膏138克。然後，將填塗好鉛膏的正負極板送入固化室固化48小時後， 在90°C以上溫度條件下乾燥，再經過化成製成正負極板。
將這種正極板兩麵包上超細玻璃纖維隔板,負極板兩面也包上超細玻璃纖維隔板，包好的正負極板相互交織重疊在一起，邊負極板朝正極板一麵包超細玻璃纖維隔板，另一面不包隔板，使其中心對齊，極板兩邊到隔板兩邊的距離相等，正負極板耳各自排列整齊，組成單體電池極群。然後，將這種極群裝入組合焊接機中，配上相應的極柱後，使用鉛錫合金焊條，用氣焊法通過形成匯流排將正負極耳分別與正負極柱相連接，製成單體電池極群組。
將上述單體電池極群組6個按極性要求依次放入電池槽I的6個單格中，在熱封機上將電池蓋2封裝在電池槽I上。然後，將伸出電池蓋2的12個極柱頭和預嵌在電池蓋的12個鉛套焊接在一起，扣上正負極性標誌環，裝好其餘極柱的保護片，通過電池蓋上的加液孔43加入規定濃度的硫酸膠體電解液，安裝好防酸隔爆塞，這樣就製造成了本發明實施例I電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池。
本發明實施例1蓄電池，按照GB/T 18332. 1-2009電動道路車輛用鉛酸蓄電池標準的規定方法檢測，其3小時率首次容量可達120Ah以上，遠遠超過不低於額定容量90%的標準規定值，可達到額定容量的120%。本發明實施例1蓄電池在使用中的實際容量可以超過額定容量的140%，即超過140Ah。按國家標準要求，大電流放電時間不少於40min.，本發明蓄電池的大電流放電時間可大於50min.。按國家標準要求，快速充電能力試驗的放電容量應不小於額定容量的70%，本發明蓄電池的快速充電能力試驗的放電容量可大於額定容量的100%，本發明實施例1的蓄電池在2-3小時內可完全充好電。
雷天3V100Ah鋰電池的尺寸為62*179*214mm，體積比能量126. 3Wh/dm3。實施例1 蓄電池3小時率容量可達到140Ah以上，根據此數值計算，其相應體積比能量可達到130Wh/ dm3以上。這種電動道路車輛用排氣式防酸隔爆蓄電池的體積比能量完全與電動道路車 輛用鋰電池的體積比能量基本相同，即在電動道路車輛上的相同電池空間內本發明鉛酸蓄電池能夠提供與鋰電池相等的能量。
實施例2本發明實施例2以2V150Ah蓄電池為例，其結構如圖10所示，電池最大設計外形尺寸為長62mm，寬172mm，高274臟。這種排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池主要由電池槽101、電池蓋 102、防酸隔爆塞103、感溫器插孔104，正極板105、負極板106、正隔板107、負隔板108、正極柱109、負極柱110、正匯流排111、負匯流排112和硫酸膠體電解液組成。
電池槽的設計高度為260mm，寬度為172mm，長度為62mm，電池槽的四周外壁及底部的厚度均為3mm，電池槽底部設計為平底，脫模斜度小於O. 3%。
電池蓋的設計高度為20mm，其長寬尺寸和電池槽相同，電池蓋下部設計為熱封型結構，其四周的外壁厚度為3_，電池蓋頂部壁厚2_。電池槽蓋均使用聚丙烯塑料製造，槽蓋的連接採用熱熔融法熔接。
電池蓋的上表面設置有I個直徑為5mm的感溫器插孔104,孔深14mm,孔底部及壁厚都小於1_，可確保所插入的感溫器準確監測每個2V單體蓄電池運行溫度的變化，進行適時溫度監測、預報和報警。
電池蓋上設置有I個直徑為20mm的加液孔，其孔壁上設置有安裝防酸隔爆塞103的卡扣，電解液從加液孔中加入電池內，防酸隔爆塞與電池蓋的密封使用橡膠密封圈，在電池使用過程中，可隨時打開防酸隔爆塞補充損失的水。
電池蓋上還設置有I個正端柱109的鉛套穿出孔和I個負端柱110的鉛套穿出孔， 正負鉛套由鉛合金製造，這種正負鉛套嵌件在電池蓋注射加工之前就放入特製的電池蓋模具中，注射形成整體電池蓋。
電池槽蓋的熱封面最大熔融高度各為2mm。電池槽蓋必須嚴格按以上設計製造。
採用和實施例1相同的的結構及製造方法製成的極柱作為正負端極柱。
實施例2所使用的正負板柵，以2V150Ah為實例，但不限於2V150Ah。板柵高 228mm,寬150mm,正板柵厚1. 6mm,負板柵厚1. 1mm。正負板柵均採用放射型板柵設計,使用實施例1相同的合金製造。·
實施例2採用和實施例1相同正負鉛膏及製造方法製造正負極板。
將這種正極板兩麵包上超細玻璃纖維隔板,負極板兩面也包上超細玻璃纖維隔板，包好的正負極板相互交織重疊在一起，邊負極板朝正極板一麵包超細玻璃纖維隔板，另一面不包隔板，使其中心對齊，極板兩邊到隔板兩邊的距離相等，正負極板耳各自排列整齊，組成單體電池極群。然後，將這種極群裝入組合焊接機中，配上正負端極柱後，使用鉛錫合金焊條，用氣焊法通過形成匯流排將正負極耳分別與正負端極柱相連接，製成單體電池極群組。
將上述單體電池極群組插入電池槽101中，在熱封機上將電池蓋102封裝在電池槽101上。然後，將伸出電池蓋的正負端極柱頭和預嵌在電池蓋的鉛套焊接在一起，扣上正負極性標誌環，通過電池蓋上的加液孔加入規定濃度的硫酸膠體電解液，安裝好防酸隔爆塞103，這樣就製造成了實施例2電動道路車輛用排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池。
這種2V單體蓄電池由於安裝了防酸隔爆塞，無酸霧排除，既不會腐蝕車輛設備， 又不會汙染環境，遇外部明火也不會造成電池爆炸，它不但適用於低端電動道路車輛(電動三輪車、電動叉車等)的運用，也同樣適用於高端電動道路車輛(純電動轎車、電動公交車、 旅遊觀光車、警務巡邏車等)的運用。
這種2V單體蓄電池在電動道路車輛上的應用可以串聯成任何偶數電壓組成蓄電池組運用，對於相同功率的電動機，可以使用大電流低電壓的大容量蓄電池，也可以選擇小電流高電壓的小容量蓄電池，組合運用極其方便，對每個單體電池的運行電壓及溫度都可以非常方便地進行適時檢測和控制。
實施例2的2V蓄電池與實施例1的12V蓄電池，在設計和製造質量相同的情況下， 其使用中的三包賠償可以減少80%以上，它沒有「株連九族」的效應。
本發明實施例2蓄電池，按照GB/T 18332. 1-2009電動道路車輛用鉛酸蓄電池標準的規定方法檢測，其3小時率首次容量可達160Ah，超過不低於額定容量90%的標準規定值，可達到額定容量的106%。本發明實施例2蓄電池在使用中的實際容量可以超過額定容量的116%，即超過175Ah。按國家標準要求，快速充電能力試驗的放電容量應不小於額定容量的70%，本發明蓄電池的快速充電能力試驗的放電容量可大於額定容量的100%，本發明實施例2的蓄電池在2-3小時內可完全充好電。
雷天3V100Ah鋰電池的尺寸為62*179*214mm，體積比能量126. 3Wh/dm3。實施例2 蓄電池3小時率容量可達到175Ah以上，根據此數值計算，其相應體積比能量可達到120Wh/dm3以上。這種電動道路車輛用排氣式防酸隔爆蓄電池的體積比能量完全與電動道路車輛用鋰電池的體積比能量基本相近，即在電動道路車輛上的相同電池空間內本發明鉛酸蓄電池能夠提供與鋰電池相等的能量，其價格僅僅為鋰電池的五分之一。
實施例3本發明實施例3以12V100Ah蓄電池為實例的另一類蓄電池，但不限於12V蓄電池，其結構如圖11所示，電池最大設計外形尺寸為長336mm，寬172mm，高238mm。這種排氣式防酸隔爆鉛酸蓄電池主要由電池槽121、電池蓋122、防酸隔爆塞123、正極板125、負極板126、正隔板127、負隔板128、負極柱129、正極柱130、正匯流排132、負匯流排131、右偏極柱133、 左偏極柱134和硫酸膠體電解液組成。
電池槽的設計高度為224_，分為6個單格，電池槽單格之間的壁厚1. 2mm,電池槽的四周外壁及底部的厚度均為3_，電池槽底部設計為平底，脫模斜度小於O. 3%。
由於部分電動道路車輛不要求適 時監測每個2V單體電池的運行電壓和溫度，這種電池蓋的設計結構就比較簡單，電池蓋高20mm，電池蓋下部與電池槽對應分為6個單格， 單格之間的壁厚度為5mm,其四周的外壁厚度為3mm,電池蓋頂部壁厚2mm。電池蓋下部結構為一個整體的簡易熱封型結構，電池槽蓋均使用聚丙烯塑料製造，槽蓋的連接採用熱熔融法熔接。
電池蓋上只設置有6個直徑為20mm的加液孔，其孔壁上設置有安裝防酸隔爆塞的卡扣，電解液從加液孔中加入電池內，防酸隔爆塞123與電池蓋的密封使用橡膠密封圈，在電池使用過程中，可隨時打開防酸隔爆塞補充損失的水。
電池蓋上還設置有2個極柱穿出孔，其中有I個正端柱鉛套孔和I個負端柱鉛套孔，這種正負鉛套嵌件在電池蓋注射加工之前就放入特製的電池蓋模具中，注射形成整體電池蓋。
電池槽蓋的熱封面最大熔融高度也各為2mm。電池槽蓋必須嚴格按以上設計製造。
實施例3的12V蓄電池所使用的12個極柱為三種極柱，相鄰兩個單體電池間的連接使用5個左偏極柱和5個右偏極柱，左右偏極柱使用氣焊或穿壁焊連接在一起，採用和實施例I中結構相同的正負端極柱，使用氣體焊接法將2個正負端極柱與其相應的鉛套焊接在一起，實現極柱和電池蓋的密封。
實施例3所使用的防酸隔爆塞、正負板柵、正極鉛膏、正負極板、隔板和硫酸膠體電解液都和實施例1完全相同，極群的裝配製造方法也完全一致。
本發明實施例3蓄電池，按照GB/T 18332. 1-2009電動道路車輛用鉛酸蓄電池標準的規定方法進行檢測，各項性能和實施例1蓄電池完全相同，只有體積比能量略低7%左右。本發明實施例3蓄電池在2-3小時內可完全充好電，使用中無酸霧析出，不腐蝕車輛設備，又不汙染環境，同樣具有明火不引爆蓄電池的特性，還可以降低製造成本，提高蓄電池的性價比，特別適用於不要求適時監測每個2V單體電池的運行電壓和溫度的電動道路車輛用電源系統。
實施例4本發明蓄電池的電解液可採用密度為1.32的硫酸電解液，也可以使用硫酸膠體電解液，其膠體電解液的組成如下硫酸(％)36-45 ；粒徑7nm的氣相二氧化娃(%)O. 4-1. 2 ；粒徑12nm的氣相二氧化矽(％)2. 8-4. O ；聚丙稀酸氛(％)O. 4-0. 7 ；磷酸(％)1.0-1.2;聚乙烯醇(％)O. 1-0. 2 ；硫酸亞錫(％)O. 1-0. 2 ；硫酸鋰(％)O. 1-0. 2 ；離子交換水(％)47-59。
具體配方I，其組成如下硫酸(％)40;粒徑7nm的氣相二氧化娃(%)O. 4 ；粒徑12nm的氣相二氧化娃(%)3. O ；聚丙烯醯氨(％)O. 5 ；磷酸(％)1. O ；聚乙烯醇(％)O.1 ；硫酸亞錫(％)O. 15 ； 硫酸鋰(％)O.1 ；離子交換水(％)54.75。
具體配方2，其組成如下硫酸(％)43;粒徑7nm的氣相二氧化娃(%)O. 9 ；粒徑12nm的氣相二氧化娃(%)3. 6 ；聚丙烯醯氨(％)O. 6 ；磷酸(％)1. O ；聚乙烯醇(％)O.1 ；硫酸亞錫(％)O. 2 ；硫酸鋰(％)O.1離子交換水(％)50. 5ο
這種膠體電解液以氣相二氧化矽為膠體主成分，加入數種摻雜劑，採用控溫反應釜，將氣相二氧化矽顆粒部分潤溼後用機械的力量使剩餘的聚團粉碎破解。浸溼過程中的攪拌能增加聚團的碎解程度，從而也就加快了整個的分散過程，加速了氣相二氧化矽微粒表面的化學反應。控溫反應釜電機功率為3000瓦，轉速應在4000 6000轉/每分鐘範圍， 強力攪拌40分鐘，使團聚的氣相二氧化矽顆粒碎解懸浮，使聚丙烯醯氨和聚乙烯醇分散均勻。然後再加入含磷酸、硫酸亞錫、硫酸鋰規定濃度的稀硫酸溶液攪拌均勻，就配製好硫酸膠體電解液。這種膠體電解液與普通的AGM超細玻璃纖維隔板聯合使用，就能得到高性能的電流輸出、深循環壽命性能優良、高的比功率、高的充電效率、耐過充、充電重複性好、充電穩定性好。作為動力用的本發明蓄電池，完全能滿足壽命期間少維護、長壽命、工作溫度寬、瓦時價格低、體積比能量優異、重量比能量高、自放電率低、能快速充好電的各項性能要
權利要求
1.本發明為一種高比能量、長壽命、速充電、無腐蝕汙染的電動道路車輛用排氣式防爆鉛酸蓄電池，它由電池槽、電池蓋、防酸隔爆塞、塗膏式正極板、負極板、隔板、匯流排、正端極柱、負端極柱、連接金屬鉛套嵌件、感溫器插孔、極柱蓋片和硫酸膠體電解液組成為1-12 只2V單體蓄電池構成的一個2-24V電壓整體蓄電池組。
2.權利要求項I中的電池槽的每個單格的底部，設計為平底，無鞍子，可增加極板的製造聞度，提聞成品畜電池的體積比能量。
3.權利要求項I中的電池蓋，採用聚丙烯製造，在其蓋上的每個單格內開有兩個正負極柱孔，在每個極柱孔中嵌有一個鉛合金套，在電池槽蓋進行熱熔接時，各極群的正負極柱可穿過鉛合金套的孔伸出電池蓋，相鄰兩個單體蓄電池的正負鉛合金套使用連接金屬牌連接，在連接金屬牌中央備有電壓監測控制線路連接螺絲孔，它們組成為一個整體金屬鉛套嵌件，在電池蓋注射成型前就嵌入模具內，在注射成型時一起被嵌入聚丙烯塑料電池蓋內， 形成一個電池蓋整體。
4.權利要求項I中的防酸隔爆塞的塞體由聚丙烯塑料注射成型，其中的防酸隔爆裝置由陶瓷或聚四氟乙烯材料製造，它可以讓電池內部的氫氧氣體順利通過排放到大氣中，同時全部阻擋氫氧氣體所攜帶的硫酸排入大氣，還能隔斷外部明火進入蓄電池內部引發電池爆炸。
5.權利要求項3中的整體金屬鉛套嵌件中的連接金屬牌及其中央所設置的連接螺絲孔柱都使用比金屬鉛的密度小、導電性能更好的金屬銅、鋁、鎳等製造，在其表面鍍覆鉛合金，在特製的模具內與鉛合金澆鑄成一個整體金屬鉛套嵌件。
6.權利要求項I中的電池蓋上的每個單格內設置有感溫器插孔，其相鄰兩個2V單體電池之間設置有一個公用的電壓檢測連接螺絲孔，電動道路車輛的主控制線路不但可以通過每個插孔中的感溫器監測每個2V單體蓄電池的適時工作溫度，還可以通過電壓監測控制線路連接螺絲孔適時監測到每個2V單體蓄電池的工作電壓，它可以實現對每個2V單體電池的工作電壓和溫度進行適時監控和故障報警。
7.權利要求項I中的每個2V單體蓄電池由塗膏式正極板、負極板、超細玻璃纖維隔板、 PE隔板和硫酸膠體電解液組成，正負極板和板柵均採用CN102110797A專利技術製造。
8.實施例2中的2V電動道路車輛用排氣式防爆鉛酸蓄電池。
9.實施例3中的12V電動道路車輛用排氣式防爆鉛酸蓄電池。
10.權利要求項7中的硫酸膠體電解液的組成如下硫酸含量(％)36-45 ；粒徑7nm的氣相二氧化娃(％)O. 4-1.粒徑12nm的氣相二氧化娃(％)2. 8-4. O聚丙烯醯氨(％)O. 4-0.磷酸(％)1. 0-1.聚乙烯醇含量(％)O. 1-0.硫酸亞錫含量(％)O. 1-0硫酸鋰含量(％)O. 1-0.離子交換水(％)47-59。
全文摘要
本發明涉及電動道路車輛用高比能量、長壽命、速充電、無腐蝕的排氣式防爆鉛酸蓄電池的設計製造方法，通過對電池槽蓋結構的設計改進，實現對2-48V整體蓄電池的每個2V單體電池充放電狀態及溫度的變化進行適時監控，其單體電池之間的連接採用預注入電池蓋的整體金屬鉛套嵌件，電池槽底部不設置鞍子，排氣塞設置防酸隔爆裝置，正負極板均設計為塗膏式薄型極板，取代厚型管式正極板，隔板可單獨採用超細玻纖隔板或PE隔板、也可將PE隔板和超細玻纖隔板聯合併用，電解液採用膠體電解液，這種設計製造方法能確保本發明蓄電池在使用中既不會因明火引爆，又消除了酸霧腐蝕設備和造成環境汙染，1小時快速充電可達到額定容量C3值，在3小時內可完全充好電，同時還具有高比能量和深循環長壽命特徵。
文檔編號H01M2/02GK103000830SQ201110267729
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月12日 優先權日2011年9月12日
發明者崔榮龍 申請人:崔榮龍