《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》是超威電源有限公司於2009年12月8日申請的專利，該專利的公布號為CN101719565A，授權公布日為2010年6月2日，發明人是劉孝偉、周明明、周龍瑞、陳體銜。
《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》包括蓄電池槽，所述蓄電池槽內設有N片三維雙極型極板、一片單板三維正極板、一片單板三維負極板、膠體電解質，所述N＝U標稱電壓/2-1，所有三維雙極型極板的一側是單板三維正極板，另一側是單板三維負極板，所述單板三維正極板上連有正極引出端子，單板三維負極板上連有負極引出端子。該發明大大降低了鉛耗用量，提高了比容量，降低了蓄電池內阻，提高了比功率，導熱性、導電性極好，抑制電池的溫升，延長了壽命，利用率大大提高，大大降低了鉛消耗，同時提高了性能，降低了成本。
2015年11月27日，《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》獲得第十七屆中國專利獎金獎。
（概述圖為《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種三維雙極型高功率鉛蓄電池
- 申請人：超威電源有限公司
- 申請日：2009年12月8日
- 申請號：200910155215X
- 公布號：CN101719565A
- 公布日：2010年6月2日
- 發明人：劉孝偉、周明明、周龍瑞、陳體銜
- 地址：浙江省長興縣雉城鎮新興工業園區
- Int.Cl.：H01M10/18(2006.01)I、H01M10/10(2006.01)I、H01M4/14(2006.01)I、H01M4/68(2006.01)I
- 代理機構：杭州華鼎智慧財產權代理事務所
- 代理人：韓洪
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
電動腳踏車是電動車的起點，電源仍是首要問題，每輛電動腳踏車用1組360瓦時的鉛蓄電池，重約為12.5千克，行程大約50公里。輕型電動摩托是電動腳踏車的必然後繼產品，它的動力功率約為電動腳踏車的2～5倍，而一台時速60千米/小時，運行里程在100千米以上的微型電動汽車則需要的常規鉛酸蓄電池約為9000瓦時，重量約為250千克，這一重量相當於搭載4個人的總量，也就是說這樣的電動車幾乎成為人和電池的運輸車。普通鉛酸蓄電池在純電動車上使用僅僅適用於微型、低速、短距離行駛的代步車和定距離物流車。
混合動力汽車要求具備高功率充電和高功率放電功能，要求正常工作充、放電倍率達到5C～20C，甚至更高的倍率，並且還必須具備優良的高、低溫性能以及長壽命等特性。混合動力電動汽車則很難有普通鉛酸蓄電池使用的機會。
大多數人都把希望寄托在鎳氫電池和鋰離子電池上，但是，由於鋰離子電池價格是鉛酸蓄電池的4～6倍，並且技術不太成熟，並且配套體系沒有良好建立，還有較長的路要走。因此，開發一種高功率、重量輕、長壽命的鉛酸蓄電池是2009年前純電動汽車、混合動力電動汽車的重要技術路線。
專利200610171301.6公開了電動汽車用長壽麵高容量雙極型極板鉛酸電池，由雙極型極板、上端極板、下端極板、隔板組成極群，極群安裝在電池框架內，電池框架緊壓極板群，給於活性物質一個適當的壓力，雙極型極板基板採用耐酸金屬如鈦、不鏽鋼、鉛及鈦合金、鉛合金等，經壓鑄成形，基片正極一面設有導電針，負極一面設有導電柱，表面修飾有機導電層，並且噴塗β-PbO2，使β-PbO2進入有機導電層，固化後填塗鉛膏製作成雙極型極板。該發明電池比容量45～50瓦時/千克比常規電池提高了20～30％，設計壽命3～8年。該發明採用產品性能有了很大提高，但是，其基片採用鈦、鈦合金等貴稀有貴重金屬，成本仍然比較高，並且這些金屬製成的雙極型極板，鉛膏與基板結合不牢固，容易在使用過程中造成活性物質脫落等故障，同時所用極板用金屬製作在稀硫酸以及電化學條件下金屬腐蝕仍然很快，很難達到設計的性能要求，並且，這種極板厚度受到基板厚度的限制，單片雙極型極板容量受到局限。
截至2009年12月，FireflyEnergy公司正在開發的突破性專利技術-鉛炭超級電池，該技術的要點在於傳統鉛酸電池內的鉛板柵用新型炭材料（多孔結構的泡沫炭）替代，將活性鉛膏複合在其孔中。每個炭板柵由兩個泡沫炭片和中間的粘接結構組成，形成夾層以提高泡沫炭片的強度。泡沫炭片是無定型炭結構或石墨結構（有序/層狀結構），具有大量球形泡沫。
氧化鉛漿料浸漬在這種新的板柵材料中，然後將此複合材料按原有方法製備成海綿鉛和二氧化鉛。於是，產生了一種獨特的新型電極結構，不僅漿料灌入泡沫孔內，而且電解液也分配到不同於傳統電池單獨貯層的泡沫孔隙內，進而形成全新的三維電極結構。
由於每個三維電極都具有海綿鉛或二氧化鉛和硫酸電解質的全部組分，該技術使得對鉛-酸化學性能的利用水平得以加強。在傳統鉛酸電池內，流體擴散是在毫米級距離的範圍內的單一方向上發生的。而在泡沫炭三維電極結構中，流體擴散是在微米級距離的範圍內的所有方向上發生。與傳統鉛酸電池相比，該結構導致更高的比能量、比功率和更快的充、放電速度，循環壽命也產生一個飛躍，使鉛酸電池的性能與先進材料（鋰和鎳）電池相當，但是能夠以傳統鉛酸電池相近的成本製造，僅為先進材料電池成本的五分之一。
截至2009年12月，Firefly現在正在開發兩種先進技術：第一種技術，採用三維電極技術作為負極板柵，保留傳統的鉛酸電池正極片；第二種更新的技術，採用石墨複合材料作為電池的正極板柵和負極板柵。其餘結構均沿用傳統鉛酸蓄電池結構，但是，這些技術中的板柵都是在粘接材料和泡沫炭層之間的界面處引出一個極耳，導電面積很小，蓄電池內阻大，電池的比容量很低，仍然避免不了傳統結構固有的弱點。
發明內容
專利目的
《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》的目的就是解決2009年12月之前技術中的問題，提出一種能夠增大導電面積、減小蓄電池內阻、提高比容量，且成本大大降低的三維雙極型高功率鉛蓄電池。
技術方案
《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》包括蓄電池槽，所述蓄電池槽內設有N片三維雙極型極板、一片單板三維正極板、一片單板三維負極板、膠體電解質，所述N＝U標稱電壓/2-1，所有三維雙極型極板的一側是單板三維正極板，另一側是單板三維負極板，所述單板三維正極板上連有正極引出端子，單板三維負極板上連有負極引出端子。
作為優選，所述正極引出端子與蓄電池槽之間設有正極密封膠，負極引出端子與蓄電池槽之間設有負極密封膠，所述三維雙極型極板、單板三維正極板和單板三維負極板的端部與蓄電池槽之間均設有邊密封膠。
作為優選，所述三維雙極型極板包括雙泡沫石墨基片、正極活性物質、負極活性物質，所述雙泡沫石墨基片包括第一緻密石墨層，所述第一緻密石墨層的兩面分別設有多孔泡沫石墨層，其中，一個多孔泡沫石墨層內充填有正極活性物質形成正極三維電極層，另一個多孔泡沫石墨層內充填有負極活性物質形成負極三維電極層。
作為優選，所述雙泡沫石墨基片的兩端還設有框線。
作為優選，所述第一緻密石墨層的厚度為0.2～2毫米。
作為優選，所述正極三維電極層與負極三維電極層厚度之比為1:0.6～0.95。
作為優選，所述雙泡沫石墨基片上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米。
作為優選，所述單板三維正極板包括單泡沫石墨基片、正極活性物質，所述單泡沫石墨基片包括第二緻密石墨層和設在第二緻密石墨層一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡沫石墨層內充填有正極活性物質形成單板三維正電極。
作為優選，所述第二緻密石墨層上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米，第二緻密石墨層的厚度為2～10毫米。
作為優選，所述單板三維負極板包括單泡沫石墨基片、負極活性物質，所述單泡沫石墨基片包括第三緻密石墨層和設在第三緻密石墨層一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡沫石墨層內充填有負極活性物質形成單板三維負電極；所述第三緻密石墨層上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米，第二緻密石墨層的厚度為2～10毫米。
有益效果
《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》的有益效果：
1.由於採用泡沫石墨作為基片，由無定型石墨結構（有序/層狀結構），具有大量球形泡沫，具有重量輕、電阻小、活性物質為三維結構，與導電界面面積增加約2000倍，利用率由30～40％提高到80～90％，大大降低了鉛耗用量，提高了比容量，比容量可以達到70瓦時/千克。
2.採用雙極型結構，極板板面面積即為單體之間的導電截面積，單體之間實現最理想的導電距離（直通），無需通過匯流傳導，大大降低了蓄電池內阻。
3.泡沫石墨基片實際還可以與正極板形成超級電容器，實際相當於在蓄電池每個單格並聯了一隻超級電容器，大大提高了比功率，比功率可達1000瓦/千克以上。
4.泡沫石墨基片電鍍鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米，與活性物質能起到橋樑作用，提高與活性物質的結合力。同時泡沫石墨基片導熱性、導電性極好，抑制電池的溫升，延長了壽命，是蓄電池壽命達到原來的兩倍以上。
5.由於採用泡沫石墨製作基片，取消了板柵，取消了隔板，並且採用三維雙極型極板結構，利用率大大提高，大大降低了鉛消耗，同時提高了性能，降低了成本。
附圖說明
圖1是《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》三維雙極型高功率鉛蓄電池的剖視結構示意圖；
圖2是該發明三維雙極型高功率鉛蓄電池中三維雙極型極板的剖視結構示意圖；
圖3是該發明三維雙極型高功率鉛蓄電池中單板三維正極板的剖視結構示意圖；
圖4是該發明三維雙極型高功率鉛蓄電池中單板三維負極板的剖視結構示意圖。
技術領域
《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》涉及蓄電池，特別涉及一種三維雙極型高功率鉛蓄電池。
權利要求
1.《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》包括蓄電池槽，其特徵在於：所述蓄電池槽內設有N片三維雙極型極板、一片單板三維正極板、一片單板三維負極板、膠體電解質，所述N＝U標稱電壓/2-1，所有三維雙極型極板的一側是單板三維正極板，另一側是單板三維負極板，所述單板三維正極板上連有正極引出端子，單板三維負極板上連有負極引出端子。
2.如權利要求1所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特徵在於：所述正極引出端子與蓄電池槽之間設有正極密封膠，負極引出端子與蓄電池槽之間設有負極密封膠，所述三維雙極型極板、單板三維正極板和單板三維負極板的端部與蓄電池槽之間均設有邊密封膠。
3.如權利要求1所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特徵在於：所述三維雙極型極板包括雙泡沫石墨基片、正極活性物質、負極活性物質，所述雙泡沫石墨基片包括第一緻密石墨層，所述第一緻密石墨層的兩面分別設有多孔泡沫石墨層，其中，一個多孔泡沫石墨層內充填有正極活性物質形成正極三維電極層，另一個多孔泡沫石墨層內充填有負極活性物質形成負極三維電極層。
4.如權利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特徵在於：所述雙泡沫石墨基片的兩端還設有框線。
5.如權利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特徵在於：所述第一緻密石墨層的厚度為0.2～2毫米。
6.如權利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特徵在於：所述正極三維電極層與負極三維電極層厚度之比為1:0.6～0.95。
7.如權利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特徵在於：所述雙泡沫石墨基片上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米。
8.如權利要求3所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特徵在於：所述單板三維正極板包括單泡沫石墨基片、正極活性物質，所述單泡沫石墨基片包括第二緻密石墨層和設在第二緻密石墨層一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡沫石墨層內充填有正極活性物質形成單板三維正電極。
9.如權利要求8所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特徵在於：所述第二緻密石墨層上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米，第二緻密石墨層的厚度為2～10毫米。
10.如權利要求9所述的一種三維雙極型高功率鉛蓄電池，其特徵在於：所述單板三維負極板包括單泡沫石墨基片、負極活性物質，所述單泡沫石墨基片包括第三緻密石墨層和設在第三緻密石墨層一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡沫石墨層內充填有負極活性物質形成單板三維負電極；所述第三緻密石墨層上電鍍有鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米，第二緻密石墨層的厚度為2～10毫米。
實施方式
參閱圖1，三維雙極型高功率鉛蓄電池，包括蓄電池槽5，所述蓄電池槽5內設有N片三維雙極型極板2、一片單板三維正極板1、一片單板三維負極板4、膠體電解質9，所述N＝U標稱電壓/2-1，所有三維雙極型極板2的一側是單板三維正極板1，另一側是單板三維負極板4，所述單板三維正極板1上連有正極引出端子10，單板三維負極板4上連有負極引出端子7。其中，U標稱電壓是指蓄電池的標稱電壓。所述正極引出端子10與蓄電池槽5之間設有正極密封膠11，負極引出端子7與蓄電池槽5之間設有負極密封膠6，所述三維雙極型極板2、單板三維正極板1和單板三維負極板4的端部與蓄電池槽5之間均設有邊密封膠8，提高了密封性能。蓄電池槽5還設有安全閥3，提高了安全性能。
參閱圖2，三維雙極型極板2：由雙泡沫石墨基片、正極活性物質、負極活性物質組成，所述雙泡沫石墨基片包括第一緻密石墨層14，所述第一緻密石墨層14的兩面分別設有多孔泡沫石墨層，其中，一個多孔泡沫石墨層內充填有正極活性物質形成正極三維電極層13，另一個多孔泡沫石墨層內充填有負極活性物質形成負極三維電極層15。雙泡沫石墨基片為無定型石墨結構（有序/層狀結構），具有大量球形泡沫。中心層為第一緻密石墨層14，厚度約為0.2～2毫米，這一層石墨為無孔緻密的石墨層，第一緻密石墨層14兩面均為多孔泡沫石墨層，其中一面較厚，一面較薄，厚度之比大約為1:0.6～0.95，雙泡沫石墨基片的面積和厚度根據極板容量大小來設計，雙泡沫石墨基片電鍍鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米，正極活性物質配料充填到厚度較大的一面多孔石墨層孔中，正極活性物質配料充填到厚度較小的一面多孔石墨層孔中，經過固化、化成等過程，使正極一面多孔泡沫石墨層內的物質轉變成為PbO2正極活性物質，負極一面多孔泡沫石墨層內的物質轉變成為海綿狀Pb負極極活性物質，即製作成為三維雙極型極板2。雙泡沫石墨基片的兩端還設有框線12。
參閱圖3，單板三維正極板1：包括單泡沫石墨基片、正極活性物質，所述單泡沫石墨基片包括第二緻密石墨層16和設在第二緻密石墨層16一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡沫石墨層內充填有正極活性物質形成單板三維正電極17。單泡沫石墨基片由石墨經過成孔發泡技術製作，一面為第二緻密石墨層16，厚度約為2～10毫米，這一層石墨為無孔緻密的石墨層，正極引出端子10使用帶螺孔的銅接線端子，與第二緻密石墨層16表面連為一體，另一層由無定型石墨結構（有序/層狀結構），具有大量球形泡沫，厚度與三維雙極型極板2的正極三維電極層13相同，單泡沫石墨基片電鍍鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米，正極活性物質配料充填到泡沫石墨層孔中，經過固化、化成等過程，使正極多孔泡沫石墨層內的物質轉變成為PbO2正極活性物質，即製作成為單板三維正極板1。
參閱圖4，單板三維負極板4：包括單泡沫石墨基片、負極活性物質，所述單泡沫石墨基片包括第三緻密石墨層18和設在第三緻密石墨層18一面的多孔泡沫石墨層，所述多孔泡沫石墨層內充填有負極活性物質形成單板三維負電極19。單泡沫石墨基片由石墨經過成孔發泡技術製作，一面為第三緻密石墨層18，厚度約為2～10毫米，這一層石墨為無孔緻密的石墨層，負極引出端子7使用帶螺孔的銅接線端子，與第三緻密石墨層18表面連為一體，另一層由無定型石墨結構（有序/層狀結構），具有大量球形泡沫，厚度與三維雙極型極板2的負極三維電極層15相同，單泡沫石墨基片電鍍鉛錫合金，鍍層厚度為0.01～0.5毫米，負極活性物質配料充填到泡沫石墨層孔中，經過固化、化成等過程，使負極多孔泡沫石墨層內的物質轉變成為PbO2負極活性物質，即製作成為單板三維負極板4。
該實施例中的膠體電解質9：調節膠體電解質9中的SiO2含量使電解質成為網路結構，並且可以調節其孔徑和孔率，無需隔板隔離。
榮譽表彰
2015年11月27日，《一種三維雙極型高功率鉛蓄電池》獲得第十七屆中國專利獎金獎。
