一種雙面作功的雙極板及其高能電池的製作方法

2023-05-27 22:02:41 2

專利名稱：一種雙面作功的雙極板及其高能電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高能蓄電池，特別是鉛酸電池，主要用作電動汽車、電動自行車、
電動摩託等電動車的動力電源。
技術背景 為提高鉛酸電池的容量和壽命，相對於普通型鉛酸電池，人們開發了輕型板柵鉛 酸電池，巻繞式鉛酸蓄電池和雙極板鉛酸電池等第二代新產品。在輕型板柵鉛酸電池領域， 人們希望用塑料板柵或鈦絲板柵取代鉛或鉛合金板柵，結果沒有成功。在巻繞式鉛酸蓄電 池領域小容量電池已有很好應用，但大容量電池體積巨大，不適合於在電動車上應用。在雙 極板鉛酸電池領域，以金屬原料如鈦板或鈦網、鉛板或鉛網、不鏽鋼板或不鏽鋼網等材料制 成板柵的電池已小試成功，產品已有小量供應，例如中國千網世紀公司的相關產品，但該產 品容量較低，比能量一般在40-45wh/kg之間，用於電動車上能量不足；以非金屬原料如有 機板或網、陶瓷板或網等材料製成板柵的電池有很多專利，但無產品面世。 以有機板或網製成板柵的雙極板鉛酸電池有較大優勢理論上其比能量可達 80wh/kg，試製時已可達到60-70wh/kg，容量與鎳氫電池相等同，是鋰電池的60% -80% ; 循環壽命可達2000次以上，是鎳氫電池、鋰電池的2倍；製造成本只有鎳氫電池、鋰電池的 1/4-1/5，低於現有普通鉛酸電池；而且該電池還具有鉛酸電池共有的穩定性，不會爆炸、燃 燒，所以特別適合於電動汽車上作動力電源使用。 美國專利USP5916709公開了一種雙極板鉛酸蓄電池，這種電池比傳統電池的比 容量提高20 % 25 % 。壽命延長40 % 50 % ，適合快速充放電，成為雙極板蓄電池的鼻祖。 其後雙極板技術在鋰離子電池、鉛酸電池和鎳氫電池領域都得到了應用。 日本專利昭59-121787於1984年公開了一種雙極板鉛酸電池，其板柵由有機基板 和均勻分布於基板上的鉛突出部組成，鉛突出部穿過有機基板用作正負極活性物質的電子 通道。但由於鉛突出部與有機基板之間存在縫隙，在電池充放電過程中，電解液產生蠕動現 象而使相鄰電池單元間電解液聯通，電池短路產生自放電而使電池報廢。所以該專利沒有 實施價值。 我國專利申請號200410014945. 5，公開了"水平式雙極型鉛酸蓄電池及其雙極 板"，特徵是基板採用塑料板，在基板上穿編包鉛塑芯複合導線或包鉛碳纖維芯複合導線， 用來代替鈦板或不鏽鋼板作為雙極板的導電板柵。該專利同樣存在密封問題，無法真正實 施。 本人於06年申請了 "電動汽車用長壽命高容量雙極型極板鉛酸電池"，公開號 CN101202356A，公開了一種雙極板鉛酸電池在基板的兩面增設根數眾多的導電針，導電針 穿過基板，按要求密布於雙極板的正負極表面，其長短與正負極活性物質塗膏層厚度相等 或稍微長出一點；基板採用塑料製造，導電針用鈦絲或鉛絲或不鏽鋼絲製成。以上述板柵為 基礎製成的雙極板鉛酸電池，在實驗室中，本人製成的電池比能量達62. 3wh/kg，但該電池
循環壽命不穩定，其原因還是電池單元間的密封問題。[0008] 另外，現有的雙極板，包括專利和產品，其結構都是活性物質層一面緊貼在基板 上，另一面與電解液接觸，工作時只有與電解液接觸一面產生充放電反應，單面作功，電池 能量受到限制。
現有技術存在的缺點 現有雙極板鉛酸電池不能實用的原因主要有第一是電池單元之間的密封問題， 第二是板柵腐蝕問題，第三是電極表面硫酸鹽化問題，第四是正、負活性物質層與有機基板 的結合力問題。 另外，現有雙極板鉛酸電池只有單面作功，如果雙面作功，電池容量提高空間較 大。
發明內容 本發明的一個目的是提供一種兩面都能作功的雙極板。本發明的另一個目的是 以該雙極板組裝成雙極板鉛酸電池，使其比能量超過80wh/kg，電池容量接近鋰二次電池水 平。 本發明的技術方案是 雙極板技術方案基板用疏水材料製成，在基板兩面增設根數眾多的導電針，導電 針穿過基板，按要求密布於基板的正反兩表面；導電針上設置凸出臺，凸出臺的至少一個面 與基板接觸，並且使該接觸部份形成一個至多個彎曲縫隙，在縫隙上填充疏水材料；在基板 兩面貼合可吸取電解液的氈膜層，再在氈膜層兩表面分別設置正、負極活性物質層，而導電 針一端在正負極活性物質層內，另一端穿過對面的基板再穿出貼於其上的正負極活性物質 層外，必要時還可在正負極活性物質層內設置加強筋。 雙極板組裝成雙極板鉛酸電池的技術方案本發明鉛酸蓄電池由外殼、裝在外殼 內的極板群、極板群上的二個外接端子、灌入極板群內的電解液組成；極板群包括一塊上端 極板， 一塊下端極板和多塊雙極板，每二塊相鄰極板中間墊一塊隔板.隔板內吸有電解液； 隔板的一面緊貼在正極活性物質層上、另一面緊貼在負極活性物質層上組成一個電池單 元；極板群由多個電池單元組成，各個電池單元上開通氣孔，必要時設置聯通各個通氣孔的 共用氣室，在共用氣室上設置減壓閥。 所述的雙極板技術方案適用於鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池，特別適用於鉛酸電 池。 所述的基板按電池要求，可製成方形、園形或各種圖形；其水平方向可製成平板、 開口的格網狀平板或閉口的格網狀平板，優選閉口的格網狀平板；格網狀形式可採用正方、 斜方、多方形和其它不規則形狀，按基板強度要求取捨；基板四周設置一道至多道阻斷電解 液路徑的擋圈，擋圈數量優選為l-2道，擋圈內外均設置氣體通道；在擋圈最外端的氣體通 道內的基板上設置通氣孔，優選l-4個，也可不設置；基板的四周設置用於電池組間密封 的邊框，邊框上一面設置環形槽，另一面設置凸出的舌，便於電池組裝時各極板的對齊和密 封。基板材料選用石料、玻璃、陶瓷材料、琺瑯、釉、有機材料，有機材料包括塑性材料、熱固 性材料或橡膠，可任選一種或它們的複合材料，優選有機材料，再優選ABS、 PP、 PE、 PC、氟聚 合物，氟聚合物包括PTFE、 PCTFE、 PFA、 ETFE、 PVDF和其它氟碳樹脂、氟矽樹脂，再優選疏水 的氟聚合物如PVDF、PTFE、ETFE，使整塊基板表面都具有疏水性；還可選用基板內芯用ABS、PP、PE、PC或無機材料，外面塗復或複合PFA、ETFE、PVDF、氟碳樹脂材料，使整塊基板表面都 具有疏水性。基板的製造可採用注塑、層壓、模壓、燒結、複合、塗膜等所有本專業技術人員 已知的技術手段。 所述的每一個導電針上都設置一個到多個凸出臺，優選1-2個，凸出臺的至少一 個面與基板接觸。凸出臺的外周邊形狀可製成方形、園形、多邊形、不規則形狀，優選園形。 導電針的針部截面可選用園形、方形、菱形、三角形、不規則形，優選三角形，截面的邊可採 用直邊、園弧內凹、園弧外凸，優選園弧內凹形。凸出臺與基板接觸部份一面，可以是光滑或 粗糙的平面，也可以用非平面，優選粗糙的平面；凸出臺的另一面與正、負極活性物質層接 觸，面形狀可以是光滑或粗糙的平面，也可以用非平面，優選粗糙的平面；凸出臺與正、負極 活性物質層接觸的一面可能長出一根導電用針，該針長度與正、負極活性物質層持平或高 出，優選高出。凸出臺的邊緣與氈膜層接觸或不接觸。 所述的導電針由金屬製成，鉛酸電池優選鈦、鉛、不鏽鋼及它們的合金。 所述的導電針上導電針與基板接觸面部份用有機或無機材料塗覆，優選用疏水材
料塗覆，疏水材料包括PTFE、PCTFE、PFA、ETFE、PVDF和其它氟碳樹脂，再優選與製造基板材
料相同的疏水材料或塗覆於基板外層相同的疏水材料，採用相同材料後，導電針與疏水基
板的裝配可以採用優選的注塑熔合、焊接、熱熔接，使導電針與基板接觸部份的疏水材料填
充層縫隙最小化或消除縫隙；當然還可選用膠粘劑粘合、緊裝配等所有本專業技術人員已
知的技術手段；穿過基板的導電針和其上的凸出臺組成導電針與基板接觸部份的一個至多
個彎曲縫隙。 所述的導電針與正、負極活性物質層接觸部份優選進行電極修飾，對於鉛酸電池， 鉛導電針電極修飾是非優選的。電極修飾的一種方法是在鉛酸電池中，對鈦、不鏽鋼導電 針或非優選的金屬材料做成的導電針進行電極修飾。把已成形的導電針整體或接觸電解液 部份塗覆無機導電材料如導電陶瓷、導電玻璃或導電氧化物，優選的材料有(Sn02+Sb203)、 (Sn02+SbOx+Ir03) 、 Ti3SiC2、 Ti3AiC2、 TiB2、 TiC ;再在無機層外以電極修飾方法塗上一層有機 導電塗層，優選的材料有聚笨胺PAn導電高聚物或PAn與其它材料複合的導電塑料，再在導 電針上導電針與基板接觸部份塗上疏水材料，然後與基板裝配複合成板柵；這種修飾方法 也可以採用非優選的只塗覆一層無機導電層或只塗覆一層有機導電層，然後塗上疏水材料 與基板裝配複合成板柵。電極修飾的另一種方法是先把導電針裝配在基板上，再對與電解 液接觸部份的導電針進行電極修飾。 所述的氈膜層，由可以吸附電解液的多孔材料製成。在鉛酸電池中，優選用現有隔 板材料製造，包括橡膠隔板、PVC隔板、PP隔板、PE隔板、AGM隔板，再優選AGM隔板。氈膜 層的製造方法是取二層以上AGM隔板壓製成可與基板配合的格網狀形狀，再在氈膜層上開 孔，孔數與位置與基板上的導電針相同，孔直徑大小與導電針上的凸出臺相同，裝配時緊密 地貼合在基板兩面，貼合方法優選粘接，貼合後導電針凸出臺部份或針部份露出在氈膜層 外，同時導電針及其周邊相當於凸出臺直徑的基板部份露出在氈膜層外。氈膜層至少有二 層氈膜材料組成，優選2-3層，便於電極產生的氣體的排出與吸收 所述的正負極活性物質層分別敷設在裝有導電針和氈膜層的基板兩面，正、負極 活性物質層穿過氈膜層上個數眾多的孔，與導電針凸出臺上的一個面或針部接觸，同時與 導電針針部周邊露出在氈膜層外的基板接觸。導電針埋設於正、負極活性物質層的方式有兩種，其一是導電針的一個端露出在正負極活性物質層外，另一端穿過基板埋設在對面的 正負極活性物質層內；其二是設置導電針兩個端都埋設於兩面的正負極活性物質層內，用 來增加基板的導電能力。當然在正負極活性物質層內還可增設加強筋，加強筋由多根絲線 交疊而成或者由絲線織成的網製成，材料可以是金屬絲、塑料絲、陶瓷玻璃絲，在鉛酸電池 中優選導電性的鉛、鈦、不鏽鋼絲。 在鉛酸電池中，雙極板敷設正負極活性物質層後，再在表面噴酸，經過熟化，乾燥 後即成生極板；再經化成、洗滌、乾燥即成熟極板。 為實現第二個目的，首先把上述雙極板組裝成極板群，所述的極板群是把下端極
板、隔板、雙極板、隔板、雙極板------隔板、上端極板按三明治方式排列重疊組成；其中的
隔板吸有電解液，與一端的負極活性物質層，另一端的正極活性物質層組成一個電池單元，
產生2V的標稱電壓。其中所述的上端極板採用單面負極活性物質塗膏層，下端極板塗有正
極活性物質層，不過也可相反設置，外接端子分別由上端極板和下端極板引出，作為電池的
正負極輸出端子。裝配時，各極板間邊框聯接採用密封膠固定密封，或極板間邊框採用彈性
材料製成，加壓後實現彈性密封；把極板群裝入外殼，使極板群固定在堅固的電池外殼中，
由外殼上的壓力傳遞給予極板群內的正負極活性物質一個適當的壓力。 所述的極板群內構成了多個電池單元，電池單元的數量由電池要求決定，優選
2-50個，組成4V-100V電壓電池；電池單元內的隔板可選用橡膠隔板、PVC隔板、PP隔板、PE
隔板、AGM隔板，優選AGM隔板；電池單元內的電解液吸附在隔板和雙極板內的氈膜層中，電
解液灌注形式可採用富液型或貧液型，優選貧液型；每個電池單元上設置一個電解液加液
孔，同時用作通氣孔。 為實現電池在密封結構中工作，在所述的電池單元內進行電解液、氣體和熱量管 理是必須的。 當電池進入過充電時，過充電的正極產生氧氣，過充電的負極產生氫氣，同時電極 內電阻使電極放熱，氧氣能迅速與負極的鉛再結合而氫氣則不能，為此本發明在電池單元 內設置負極活性物質質量過量5 % -50 % ，優選10 % -30 %;當電池過充電時，首先正極產生 過充電而放出氧氣，氧氣迅速與負極結合增加了負極的氧化鉛質量，形成氧化鉛增量與電 解的平衡，確保負極不過充，從而不產生氫氣。 對氣體的管理光有這些還不夠，如何設定氣體通道，使氧氣迅速到達負極也是關 鍵，為此要對電解液進行管理，本發明首先設置隔板和氈膜層為多層結構，優選2-3層，便 於產生的氧氣從隔板和氈膜層中逸出，再在電池單元內設置無阻擋的氣體通道，再對隔板 和氈膜層上吸附的電解液量進行控制，使得覆蓋在電極表面的電解液層足夠薄，氧氣可以 很容易地穿過電解液層在電極上擴散，為此控制隔板和氈膜層的貧液率在50% -99%，優 選95% -98%。 電池單元間的電解液導通，使得電池短路，是雙極電池不能商業化的主要原因。電 池單元間的電解液導通以往不能消除的原因是電池充放電過程中電解液的蠕動、電池氣 體產生的電池單元內壓和局部內壓、電池充放電過程中產生的熱量使各零件間因熱脹冷縮 效應而產生縫隙、電池零件的腐蝕等，使得電池單元間產生電解液路徑而使電池短路。本發 明的基板採用疏水材料，優選熱脹冷縮係數與導電針金屬材料一致的氟聚合物材料，消除 了熱脹冷縮效應的影響，再優選在酸性介質和電場中不受腐蝕或腐蝕量極少的氟聚合物，避免了腐蝕影響，經上述優選後的氟聚合物都是高氟聚合物，高氟聚合物表面具有天然的 疏水性，電解液滴在高氟聚合物表面形成荷葉效應，電解液凝聚成珠狀而不能輔展成膜，再 加上吸取電解液的隔板和氈膜層取貧液型，所以基板上不存在電解液膜，這樣一來基板周 邊即使形成洩漏，也不能形成電解液路徑而使電池短路，所以本發明對基板周邊的密封要 求不嚴格。接下來的問題是導電針與基板之間縫隙的洩漏問題，本發明採用在導電針上導 電針與基板接觸部份進行塗膜處理後再與基板裝配的方法，阻隔電解液在導電針表面連通 成電解液路徑；塗膜方式優選熱塗膜，再優選導電針加熱溫度在20(TC以上，這種塗膜方式 保證了塗層與導電針金屬表面的充分溼潤，塗層與金屬的緊密結合，如化工生產設備中的 反應釜一樣，氟樹脂塗層可以在反應釜中長期不剝落，有效隔斷金屬表面的電解液膜的連 續性，再加上塗層的熱脹冷縮與導電針金屬的一致性和塗層優良的耐腐蝕性，塗層可以在 工作環境中長期使用，從而阻斷導電針的電解液路徑。由於在導電針上設置了凸出臺，導電 針與基板的接觸縫隙變得彎曲，同時拉長，這樣一來縫隙即使產生洩漏也不能在縫隙上形 成電解液路徑而使電池短路，所以導電針與基板之間縫隙的密封要求也不嚴格，換言之，本 發明雙極板電池即使不進行密封，電池仍然能夠正常工作。 當電池在特殊環境中不受控時，電池產生高熱，或氧氣不能被結合，或電極產生了
氫氣，為此本發明在每個電池單元上設置一個減壓閥，在特定壓力下把氣體和熱量排出體
外；更優選地，本發明在每個電池單元上開孔，使各電池單元的氣室聯成一體，在共用氣室
上設置減壓閥，使電池保持在一定的壓力下工作，獲得電池的動態密封；共用氣室可設置在
電池體內也可在體外，在體外的共用氣室外壁可設置成換熱器結構，該結構可在不排放氣
體情況下帶走電池內熱量。減壓閥是常用產品，因此本發明不作詳細描述。 本發明設置的導電針可以增加正負極活性物質層與有機基板的結合力，必要時可
設置幾根加強筋，加強筋與導電針牢固聯接後，再敷設正負極活性物質層，並把加強筋包裹
在正負極活性物質層內，這一結構可確保正負極活性物質層的工作強度。 由於雙極板鉛酸電池是串聯電路裝配，其中的一隻電極表面產生硫酸鹽化現象
時，整個電池就不能導電而使電池報廢，所以雙極板鉛酸電池的硫酸鹽化問題比普通鉛酸
電池更加嚴重。本發明設置部份導電針露出在正負極活性物質層外，當電極表面產生硫酸
鹽化現象時，硫酸鹽化層不能覆蓋導電針表面，導電針仍然導電，當雙極板電池是局部或輕
微硫酸鹽化時，電池還可以正常工作；當雙極板電池產生嚴重硫酸鹽化時，由於導電針的導
電作用，可以通過慢充電修復電池，消除硫酸鹽化現象。 本發明的雙極板由於增設了毯膜層，使得緊貼於基板一面的正負極活性物質層也 能與電解液接觸，參與充放電反應，同時正負極活性物質層設置的厚度相比單面作功的雙 極電池可以取更大值，提高了電池內正負極活性物質的質量與電池總質量的比率，增大了 電池容量。 本發明的有益效果 本發明採用疏水材料製造基板和電池板柵，解決了雙極電池從發明以來一直無法 解決的電池單元間的電解液洩漏造成電池短路問題，也即雙極電池無法密封問題，使得雙 極電池在非密封狀態下不形成電解液路徑，電池能夠正常工作，為雙極電池的商業化普及 和應用輔平道路。 本發明的雙極板兩面工作，提高雙極電池容量30%以上，製成的電池重量比能量可超過80wh/kg，接近鋰電池水平 本發明電池可在內氣壓30KPa環境下工作，但各電池單元間壓力差為O，吸收了巻 繞式鉛酸電池的優點，可使電池在正常環境使用條件下密封環保，不失水，終身免維護，同 時提高了電池壽命。 本發明的導電針一端穿過活性物質層，另一端在對面的活性物質層內，這一結構 保證電池在沒充足電之前，導電針部位不會放出氧氣或氫氣，同時本發明的導電針具有導 電、加固正、負極活性物質層與板柵的結合力、消除正、負極活性物質層表面的硫酸鹽化現 象三大作用。相對於日本專利昭59-121787的鉛突出部只有導電和加固正、負極活性物質 層與板柵的結合力二種功能，相對於中國專利CN101202356A，其導電針雖然與本發明一樣 有相同的三大作用，但是CN101202356A的導電針在正、負極活性物質層兩面穿過，在電池 一開始充電時，導電針部位就容易過充電而放出氧氣或氫氣，使電池難以密封，所以相對於 現有技術本發明具有技術進步意義。

[0040]圖1為本發明第一種雙極板結構圖。圖2為本發明第一種雙極板俯視圖。圖3是本發明另一種雙極板的基板結構圖。圖4是圖3的俯視圖。圖5是本發明上端極板結構圖。圖6是本發明下端極板結構圖。圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14是導電針的4種形式。圖15A、圖15B、圖15C、圖15D、圖15E是導電針的5種塗膜形式。圖16是本發明鉛酸電池(1)的裝配圖。圖17是本發明鉛酸電池(2)的裝配圖。圖18是本發明鉛酸電池(3)的裝配圖。實施方式下面結合實施例詳細說明實施方式。實施例1 :雙極板(100)。見圖1、圖2，雙極板(100)由基板(110)、導電針(120)、氈膜層(130)、正極活性
物質層(140)、負極活性物質層(150)、擋圈(111)和邊框(160)組成。按圖7、圖8、圖9、 圖10、圖11、圖12、圖13、圖14所示，優選純鉛製成不同形狀的導電針(120)，或製成它們 中的一種或多種形狀的導電針(120)，再把導電針(120)按圖15A、圖15B、圖15C、圖15D、 圖15E所示塗覆上塗膜(125)，該塗膜(125)優選用疏水材料製得，再優選與基板(110)的 製造材料相同的氟聚合物製成。把塗覆了塗膜(125)的導電針(120)放入模具內，在注塑 機上注塑製成基板(110)，基板(110)可採用平板結構或具有加強筋(113)的格網狀結構， 優選格網狀結構，在基板(110)上固定了導電針(120)，獲得了二個擋圈(111)和多個邊孔 (115)，基板(110)材料優選疏水材料，再優選與導電針(120)上的塗膜(125)相同的氟聚 合物製成。再把基板(110)固定在模具上，在基板(110)邊緣上注塑製成邊框(160)，邊框 (160)包含了基板(110)上的邊孔(115)，使邊框(160)獲得附著於基板(110)上足夠的物理強度，邊框(160)材料用耐酸塑料或耐酸橡膠製成。把AGM隔板材料層壓壓製成氈膜層 (130)，在氈膜層(130)上開孔，孔數與位置與基板(110)上的導電針(120)個數與位置相 同，孔直徑大小比導電針(120)上的凸出臺(122)稍大，氈膜層(130)至少有二層氈膜材料 組成，優選2-3層，便於電極氣體的排出與吸收；氈膜層(130)壓製成可與基板(110)配合 的格網狀形狀，裝配時緊密地貼合在基板(110)兩面，貼合後導電針(120)的凸出臺(122) 或針部(121)露出在氈膜層(130)夕卜，同時導電針(120)及其周邊相當於凸出臺(122)直徑 的基板(110)部份露出在氈膜層(130)夕卜。把氧化鉛粉、稀硫酸、導電添加劑、膠粘劑和其 它添加劑混合成正極鉛膏，塗抹在基板(110)的一面上成正極活性物質層(140);再把氧化 鉛粉、稀硫酸、導電添加劑、膨脹劑和其它添加劑混合成負極鉛膏，塗抹在基板(110)的另 一面上成負極活性物質層(150)，負極活性物質質量過量15%，再在正極活性物質層(140) 和負極活性物質層(150)表面噴酸，經過熟化，乾燥後即成生極板；再經化成、洗滌、乾燥即 成熟極板。 實施例2 :基板(110)的第二種形式。 見圖3、圖4，基板(110)上設置有擋圈(111) 一道，擋圈(111)邊有一個倒角 (116)，倒角(116)邊設置一個通氣孔(114)，該通氣孔(114)導通各電池單元的氣室成共用 氣室，使各電池單元的壓力差為O，同時通氣孔(114)還可作為電解液的進出口使用；基板 (110)上還設有按裝導電針(120)用的孔臺(112)，塗覆上塗膜(125)的導電針(120)可以 插入孔臺(112)內固定其上，固定的方法可採用焊接、熱熔接、膠粘劑粘合、緊裝配等；為增 強基板(110)強度，製取大形電池，在基板(110)上設置了眾多根數的加強筋(113)，加強筋 (113)與孔臺(112)、擋圈(111) 一道組成基板(110)的格網狀結構。基板(110)優選疏水 材料注塑或模壓一次成形，其材料再優選採用高氟聚合物。本實施例基板(110)的其它結 構與實施例1中的基板(110)相同。 實施例3 :導電針(120)的電極修飾防腐處理。 在鉛酸電池中，如果採用鈦、不鏽鋼製造導電針(120)，或非優選的金屬材料做 成導電針(120)，優選進行電極修飾。把已成形的導電針(120)整體或接觸電解液部 份塗覆無機導電材料如導電陶瓷、導電玻璃或導電氧化物，優選的材料有(Sn02+Sb203)、 (Sn02+SbOx+Ir03) 、 Ti3SiC2、 Ti3AiC2、 TiB2、 TiC ;再在無機層外以電極修飾方法塗上一層有機 導電塗層，優選的材料有聚笨胺PAn導電高聚物或PAn與其它材料複合的導電塑料。這種 修飾方法也可以採用非優選的只塗覆一層無機導電層或只塗覆一層有機導電層。 實施例4 :導電針(120)的疏水塗膜(125)的塗覆。 在經過電極修飾的導電針(120)表面優選進行疏水塗膜(125)的塗覆，塗覆部位 包括導電針(120)上導電針(120)與基板(110)接觸的針部(121)和凸出臺(122)的面， 塗膜(125)形狀如圖15A、圖15B、圖15C、圖15D、圖15E所示5種形式，但不局限於此5種 形式。 對於沒有經過電極修飾的導電針(120)，如鉛制導電針(120)，本實施例優選在鉛 表面進行疏水塗膜(125)的塗覆，塗覆部位包括導電針(120)上導電針(120)與基板(110) 接觸的針部(121)和凸出臺(122)的面，塗膜(125)形狀如圖15A、圖15B、圖15C、圖15D、 圖15E所示5種形式，但不局限於此5種形式。 在本實施例中還可對導電針(120)先進行疏水塗膜(125)的塗覆，後進行電極修
9飾，塗覆部位包括導電針(120)上導電針(120)與基板(110)接觸的針部(121)和凸出臺 (122)的面，塗膜(125)形狀如圖15A、圖15B、圖15C、圖15D、圖15E所示5種形式，但不局 限於此5種形式。後續的電極修飾方法如實施例3所示。 疏水塗膜(125)的塗覆方法優選熱塗覆，首先加熱導電針(120)，再在導電針
(120)需塗覆部位塗上塗膜(125)。 實施例5 :下端極板(30)的製造。 如圖6示下端極板(30)由基板(31)和垂直於基板(31) —面的導電針(32)、復 蓋於導電針(32)上的負極活性物質層(150)、與基板(31)相聯的輸出端子(50)、一道擋圈 (33)、覆蓋於基板(31)另一面的塑板(34)及聯著的邊框(160)組成。基板(31)和導電針 (32)及輸出端子(50)優選用純鉛製成，一次壓鑄成形，擋圈(33)用疏水材料製造壓注在 基板(31)上，再在基板(31)的另一面注塑形成塑板(34)及聯著的邊框(160)，邊框(160) 上設置了用於對齊極板和密封作用的舌(161)，再後在基板(31)的導電針(32) —面塗覆上 負極活性物質層(150)，經浸酸、熟化、烘乾即成生極板，再經化成、烘乾即成熟極板。基板 (31)和導電針(32)如果不用優選材料製造，接觸電解液一面優選進行電極修飾。 實施例6 :上端極板(20)的製造。 如圖5示上端極板(20)由基板(21)和垂直於基板(21) —面的導電針(22)、復 蓋於導電針(22)上的正極活性物質層(140)、與基板(21)相聯的輸出端子(50)、一道擋圈 (23)、覆蓋於基板(21)另一面的塑板(24)及聯著的邊框(160)組成。基板(21)和導電針 (22)及輸出端子(50)優選用鉛錫合金製成，一次壓鑄成形，擋圈(23)用疏水材料製造壓 注在基板(21)上，再在基板(21)的另一面注塑形成塑板(24)及聯著的邊框(160)，邊框 (160)上設置了用於對齊極板和密封作用的槽(162)，再後在基板(21)的導電針(22) —面 塗覆上正極活性物質層(140)，經浸酸、熟化、烘乾即成生極板，再經化成、烘乾即成熟極板。 基板(21)和導電針(22)如果不用優選材料製造，接觸電解液一面優選進行電極修飾。 實施例7 :本發明雙極板鉛酸電池(1)的裝配。 見圖16，本發明鉛酸電池(1)由外殼(60)、下端極板(30)、隔板(40)、雙極板 (100)、上端極板(20)、二個外接端子(50)、位於每個電池單元上的眾多減壓閥(80)組 成。電池外殼(60)做成筒狀容器，筒狀容器用塑料或金屬做成，優選不鏽鋼。把下端極板
(30)、隔板(40)、雙極板(100)、隔板(40)、雙極板(100)------隔板(40)、上端極板(20)
按三明治方式排列重疊組成極板群，為對齊極板群內層疊的雙極板(IOO)，裝配時，先在邊 框(160)上加粘合劑，再把極板群內各極板邊框(160)上的槽(162)與舌(161)合攏，其 後把極板群裝入外殼(60)，必要時可在外殼(60)與極板群外壁接觸面塗上膠粘劑，再把外 殼(60)與極板群移入壓力機上，對極板群施加適當壓力後，再使外殼(60)包裹極板群，給 予極板群內的正負極活性物質層一個適當的壓力，包裹完成後膠粘劑再結硬，完成電池單 元之間的密封。密封后再在每個電池單元的一邊上開孔，按裝上減壓閥(80)，按裝減壓閥 (80)的孔，同時也是電解液灌入和抽出通道。二個外接端子(50)分別用作電池的正、負極 輸出端子。 實施例8 :本發明雙極板鉛酸電池(2)的裝配 見圖17，本發明鉛酸電池(2)由外殼(60)、下端極板(30)、隔板(40)、雙極板 (100)、上端極板(20)、二個外接端子(50)、減壓閥(80)、位於每個電池單元上的通氣孔(90)和聯通各個通氣孔(90)的共用氣室(70)組成。電池外殼(60)做成筒狀容器，筒狀容 器用塑料或金屬做成，優選不鏽鋼。把下端極板(30)、隔板(40)、雙極板(100)、隔板(40)、
雙極板(100)------隔板(40)、上端極板(20)按三明治方式排列重疊組成極板群，為對齊
極板群內層疊的雙極板(IOO)，裝配時，先在邊框(160)上加粘合劑，再把極板群內各極板 邊框(160)上的槽(162)與舌(161)合攏，其後把極板群裝入外殼(60)，必要時可在外殼 (60)與極板群外壁接觸面塗上膠粘劑，再把外殼(60)與極板群移入壓力機上，對極板群施 加適當壓力後，再使外殼(60)包裹極板群，給予極板群內的正負極活性物質一個適當的壓 力，包裹完成後膠粘劑再結硬，完成電池單元之間的密封。密封后再在每個電池單元的一邊 上開通氣孔(90)，通過通氣孔(90)可以注入電解液和抽出電解液，進行電池化成，完成電 池化成後，再裝上共用氣室(70)，在共用氣室(70)上按裝減壓閥(80)，共用氣室(70)優選 製成換熱器結構，外壁上裝有散熱片或散熱紋。 共用氣室(70)用塑料或金屬做成，優選不鏽鋼或鈦，這一結構可以帶走電池內部
熱量，達到熱量和水份的體外循環。 實施例9 :本發明雙極板鉛酸電池(3)的裝配 見圖18，本發明鉛酸電池(3)由外殼(60)、下端極板(30)、隔板(40)、雙極板 (100)、上端極板(20)、二個外接端子(50)、減壓閥(80)組成。電池外殼(60)做成筒狀容 器，筒狀容器用塑料或金屬做成，優選不鏽鋼。把下端極板(30)、隔板(40)、雙極板(100)、
隔板(40)、雙極板(100)------隔板(40)、上端極板(20)按三明治方式排列重疊組成極板
群，在這一極板群中，雙極板(100)內的基板(110)採用實施例2中的基板(110)形式，如 圖3圖4示在每個基板(110)上優選設置一個通氣孔(114)，該通氣孔(114)導通各電池 單元的氣室成共用氣室；並且，極板邊框(160)用彈性材料製造。裝配時，把極板群內各極 板邊框(160)上的槽(162)與舌(161)合攏，其後把極板群裝入外殼(60)，必要時可在外殼 (60)與極板群外壁接觸面塗上膠粘劑，再把外殼(60)與極板群移入壓力機上，對極板群施 加適當壓力後，再使外殼(60)包裹極板群，完成電池單元之間的彈性密封，同時給予極板 群內的正負極活性物質一個適當的壓力；再在上端極板(20)上開孔按裝減壓閥(80)。按 裝減壓閥(80)的孔，同時也是電解液灌入和抽出通道。 上述方案中所涉及的材料，都可在阿里巴巴網上市場購得，導電聚笨胺PAn塗料 可在中科院北京化學所購得。 本發明雙極板鉛酸電池(1)、雙極板鉛酸電池(2)、雙極板鉛酸電池(3)都可以採 用電池化成方式，電池組裝後，注入過量的電解液，採用普通電池通常的化成充電方式，化 成結束後，以一定的真空度吸出多餘的電解液，再進行調整充電，以建立電池內部的"氧循 環"體系，使電池內隔板(40)和氈膜層(130)吸附的電解液貧液率達到規定值，完成後再進 行密封，即成密封式雙極型鉛酸電池。
權利要求一種雙極板，以基板作為集電體，基板一面敷設正極活性物質層，另面敷設負極活性物質層，基板周邊設置邊框，用於組裝電池時各電池單元的封，其技術特徵在於基板用疏水材料製成，在基板上埋設有導電針，基板兩面貼合有毯膜層，、負極活性物質層敷設在毯膜層外，正、負極活性物質層部份與毯膜層接觸、份與基板接觸、部份與導電針接觸。
2. 根據權利要求l所述的雙極板，其技術特徵在於基板的疏水材料用聚合物製成，包 括氟碳樹脂和氟矽樹脂。
3. 根據權利要求2所述的雙極板，其技術特徵在於基板的疏水材料所的氟聚合物用高氟樹脂，包括PTFE、 PCTFE、 PFA、 ETFE、 PVDF。
4. 根據權利要求1所述的雙極板，其技術特徵在於基板上設置有疏水擋圈、通氣孔， 擋圈和通氣孔與基板一起一次性注塑成形或層壓成形。
5. 根據權利要求l所述的雙極板，其技術特徵在於導電針上設置有凸臺，凸出臺與基 板接觸，使得埋設在基板上的導電針與基板的接觸面形成彎縫隙。
6. 根據權利要求1所述的雙極板，其技術特徵在於在導電針上導電針基板的接觸面在裝配前塗覆一層塗膜，塗膜層材料與所接觸的基板材料相同。
7. 根據權利要求5或6所述的雙極板，其技術特徵在於導電針塗膜的覆方法採用熱塗覆。
8. 根據權利要求1所述的雙極板，其技術特徵在於氈膜層貼合在基板兩面，材料選用現有隔板材料，包括橡膠隔板、PVC隔板、PP隔板、PE隔、AGM隔板，
9. 根據權利要求8所述的雙極板，其技術特徵在於氈膜層由2層以上隔料組成。
10. 根據權利要求l所述的雙極板，其技術特徵在於導電針埋設在基板兩端伸出在基板外，一端穿出在基板一面的正、負極活性物質層外，另一基板對面的正、負極活性物質層 內。
11. 一種由權利要求1至權利要求10所述的雙極板為主體組成的雙極電池，下端極板、隔板、至少一塊雙極板、隔板、上端極板以三明治層疊結構極板群，極板群裝入外殼內， 由上、下端極板引出正、負極輸出端子，隔雙極板內的毯膜層吸有電解液，由隔板和隔板一 端的正極活性物質層與另的負極活性物質層組成一個電池單元，極板群由多個電池單元組成，其特徵在於在各個電池單元上開通氣孔，設置聯通各個通氣孔的共用氣在共用氣室上設置減壓閥。
12. 根據權利要求11所述的雙極電池，其技術特徵在於共用氣室凸出在體外。
13. 根據權利要求12所述的雙極電池，其技術特徵在於凸出在電池體外用氣室製成 換熱器結構，外壁上設置有散熱片或散熱紋。
14. 根據權利要求11所述的雙極電池，其技術特徵在於每塊隔板至少有以上隔板材 料疊合而成。
專利摘要一種用於電動車的雙極電池，特別是雙極板鉛酸電池，解決了現有雙極電池的電池單元間無法密封和雙極板的單面作功問題。本實用新型採用疏水材料做基板，基板上埋設有導電針，在基板兩面增設了毯膜層，正負極活性物質層敷設在毯膜層外面組成雙極板，在雙極板組成的雙極電池中設置了共用氣室，共用氣室上有減壓閥。這一結構可使電池中電池單元之間在非密封狀態下電池不短路仍可正常工作，為雙極電池的商業化應用輔平了道路；同時電池內雙極板兩面工作，提高雙極電池容量30％以上，雙極板鉛酸電池重量比能量可超過80wh/kg，接近鋰電池水平，而造價只有鋰電池的1/4以下；本電池可在電池內氣壓30kPa以下工作，使用中密封環保。
文檔編號H01M2/12GK201508871SQ200920177220
公開日2010年6月16日 申請日期2009年8月29日 優先權日2009年8月29日
發明者夏振明 申請人:夏振明