[发明专利]活性物质容纳于晶格中的铅酸电池

说明书

技术领域

本发明涉及铅酸电池。更加具体的，本发明涉及铅酸电池中形成电极或单体电池的设计和方法。

背景技术

铅酸电池的基本电化学原理在140年前已经发现。其相对简单，且已被证实。电池涉及的活性物质如方程式1所示：

Pb+PbO₂+2H₂SO₄←→2PbSO₄+2H₂O(方程式1)

由于成本低、稳定和可以接受的能量密度，铅酸电池在世界广泛使用。不过，铅酸电池笨重，且含有腐蚀性的硫酸溶液。铅酸电池笨重是由于阳极和阴极含有高密度的铅和以铅为基础的材料。以铅为基础的材料通常形成“铅膏”，容纳于刚性的“板栅”结构，以获得支撑。铅膏容纳于极板中，该极板由板栅基板支撑。随后对铅膏进行处理和老化，在负极板和正极板中的二氧化铅上形成高表面积的“泡沫”铅。例如，美国专利7,517,370公开了一种制备该种铅膏的方法。由于以铅为基础的板栅结构极大的增加了电池的重量，所以有很多研究试图降低板栅/极板的重量。在电化学反应中，仅有约50%的活性物质是活性的，可以从多方面努力降低电池的总重。

美国专利4,707,911公开了一种自支撑的多孔电极，没有极板或板栅，从而获得更轻的电池。该电极通过向熔铅混合物中加入可滤取的组分制备，在所需形状中形成固体，然后除去可滤取的组分，形成多孔电极，并具有相对均匀分布的空隙的网络。

美国专利4,713,306公开了至少有一部分涂覆有导电掺杂氧化锡的正极板的电池，其中正极板可以是有机或无机纤维，例如，可以是织物的形式。涂覆氧化锡增加了导电性。这种设计通过允许非导电硫酸铅活性物质具有一些导电性，提高了电池的性能。美国专利7,060,391教导使用有孔的网状碳基，同时将含有铅锡的合金用于该基体。

美国专利5,156,935公开了使用选自炭、石墨或钛酸钾的导电“威斯克司（wiskers）”，其和负极和正极的活性物质混合，从而提供较低重量、充电效率和容积效率，以及改进的硫酸化耐受性。

美国专利5,296,261公开了一种制备泡沫金属的方法，泡沫金属选自镍、铜或铅，该方法以聚合物泡沫作为模板，模板用金属硫酸盐或硝酸盐浸渍。该发明的目的是获得微孔金属结构，用于便携式碱性充电电池的电极。没有任何文献将该电极用于高度氧化和腐蚀的环境，如铅酸电池中，也没有任何文献公开用活性物质涂覆成该金属的涂层。

美国专利6,232,017公开了一种铅酸电池板栅设计，该设计通过含有网状有机或无机化合物（如玻璃纤维）的电极降低了电池的总重。这种设计降低了电池的重量，特别是负极的重量。铅或铅合金集流部分覆盖了部分的网状体，其中板栅可以由网状体表面上的铅合金薄层覆盖。

美国专利6,617,071公开了一种方法，其中，电池极板由导电聚合物涂覆，然后再涂覆纳米级的活性物质颗粒。这种设计是为了降低电池的重量，并减少正极板栅的腐蚀。该设计充分利用活性物质，这是因为纳米颗粒夹带或容纳于导电聚合物的架构内，并为反应提供大的表面积。导电聚合物具有刚性的孔结构，从而改善酸和粒子的扩散，但是在活性物质改变体积时仍然可以作为充电/放电的“源泉”。不过，公开的方法仍然需要一个板栅极板具有至少一个表面。而且，导电聚合物架构限制了活性颗粒的尺寸为“纳米级”，因此大大限制了容纳的颗粒的量，从而限制了该种设计的能量密度。多孔聚合物的小尺寸限制了酸和粒子的扩算，以及在放电时纳米级的孔会被颗粒堵塞，从而限制了充电/放电率。此外，由于纳米颗粒是在电池板栅聚合后加入到聚合物中的，纳米颗粒可以夹带的深度也大大受到聚合物纳米级大小孔的限制。

美国专利申请公开号2009/0269658A1提供了一种板栅结构，该结构由低密度物质组成，如ABS树脂，然后用金属如铜或镍涂覆，接着涂覆铅/铅合金，最后电化学沉积导电聚合物如聚苯胺。不过，这种设计仍然需要板栅/极板结构上涂覆活性和保护层。没有文献公开用于处理多层基体上的活性物质，或电化学反应中的活性物质。

为了获得合理的储能能力，优选高表面积的多孔正极和负极板。这可以通过将铅膏（即铅和氧化铅）用于以铅为基体的板栅上来实现。这种“膏状的极板”通过将可滤取的物质加入到活性物质中制成多孔的，然后再除去可滤取的物质。例如，美国专利5,266,423公开了向铅或铅合金中加入锌或镁，装入容器中制备、压碎，同时添加剂精细分散于铅或铅合金颗粒中，并加入到铅膏中。通过硫酸滤去添加剂，从而获得多孔的铅或铅合金基质。