[发明专利]蓄电池

说明书

技术领域

本发明涉及蓄电池，和蓄电池及其部件的制造。

背景技术

可再生能源和电力公用(utility)领域的蓄电池市场最近出现了显著的增长。这是由于过去十年中可再生能源技术的提高以及不断变化的消费市场所驱动的，这个市场需要更多的电力来满足对电子设备日益增长的需求。

再加上近期电动车技术的进步，对公用规模的电力供应的需求将会进一步增加，尤其是这些电动车的充电站将成为其可行性的组成部分。

但是，在可再生能源方面，特别是在电力供需方面存在差距。光源本质上是间歇性的，可用的阳光每天只有几个小时，随着季节的变化而变化，受天气条件(例如，云层)和周围建筑物阴影的影响。

作为能量的来源，风也受到自然界变化的影响。如果风力不够强，就会产生很小的功率。如果风力太强，必须关闭风机以保护叶片和塔架不受损坏。由于它们对环境的视觉影响，许多风电场位于偏远地区。

煤炭，石油和核电站由发电能力与需求匹配来控制。对于可再生能源，这种控制是困难的，因为需求高时，由于日照和风力条件可能无法获得电力。可再生能源的可变投入使电网管理变得困难。

为了调整电力供求关系，适应需求的快速增长，公用规模化电力存储解决方案成为必然，以缓解可再生能源的间歇性，以及供需差距。

自问世以来，由于每能量单元传送成本低以及在所有部门和跨多个应用领域都有良好的记录，因此铅酸蓄电池一直是最常用的蓄电装置形式。然而，当以传统方法制造铅蓄电池时，铅蓄电池中每单元成本可以储存多少能量是有限制的。

这些限制通常包括当一个电池中包含太多的极板并且在电池中心的极板之间出现热量集中时热量对电池运行的影响。传热到大气的可用表面积很小，可能会发生过热。当前电池极板的耐用性也存在问题，因为这些电池极板不是为公用规模运行而是为工业应用而制造的。

锂离子电池等高成本化学品的铅酸电池的竞争也日益激烈，因为它们的成本结构得到改善，并提高了其在公用规模储存方面的可行性。

为了实现传统工业电池的公用规模储存，需要更多的电池串联和并联，以实现高速充电，大量储能和高放电率。众所周知，将更多的电池添加到串联或并联连接会显著降低电池的预期寿命和故障风险，因为电池中的一个故障电池最终可能由于内部短路而使整个电池组不均衡，耗尽和损坏。电池组中单个电池的数量越多，对电池管理的要求越高，并且保持单个电池平衡并且以理想的容量运行就越困难。存储容量越大，电池之间的差异风险就越大。

制造铅酸电池极板的标准方法包括在铅炉中熔炼铅锭，然后通过连续铸造，模制或冲压或者这些方法的组合，使用熔融铅来产生相对脆弱的栅格。工业规模的电池制造使用铸造，其中一个铸模(book mould)充满熔铅，或注塑成铅网格结构。

传统的制造工艺涉及在生产过程的初始阶段保持铅熔化。随后，铅在模具中被冷却，所产生的栅格从模具中释放出来。铅在熔融状态下的维护大大增加了制造成本。

这些工艺还包括在栅格制造过程的各个阶段切断多余的铅，导致废铅必须再次被熔化，增加了工艺成本。诸如钙之类的成分被添加到熔化的铅中，从而为栅格提供更高的刚性，否则在制造过程中该栅格会太脆弱以至于不易处理，而且脆弱的纯铅栅格极板在使用中易于弯曲并且可能导致内部短路。添加的成分不仅增加了电池的内阻，而且还降低了它的预期寿命，因为这些极板比纯铅板更容易腐蚀。

为了简化制造过程并减少由于模具更换和机器清洁造成的停机时间，制造商使用能够同时模制不同长度和尺寸的栅格的两用模具。然而，这也可能导致废铅，因为当需要特定的栅格流水线时，可能不会使用来自模具一侧的生产，这又导致铅的重新熔化。

电池制造的高度自动化性质也导致进一步的损耗，因为馈送到生产机器的栅格的公差不能在很大程度上变化。因此，一些铅栅格可能不得不从制造过程中移除。被移除的栅格被重新融化，铅被回收。

如上所述的以及如今在操作中发现的制造工艺需要大量的专门设备来熔化铅锭，并将铅导入所需的栅格形式，然后使用活性材料进行电化学粘附。这代表了其运行需要大量资本投资，要求高度熟练的劳动力和大量的电力和占地面积。

一旦铅栅具有所需的形式，它就通过皮带粘贴机，在那里从氧化混合器通过漏斗供应的活性材料粘附在铅栅上。电化学活性材料填充栅格中的开口，从而形成电池极板。如果栅格“过度粘附”，栅格的每一侧都有一层材料以及开口中的“颗粒”。虽然这对于获得更高的存储容量可能是理想的，但粘附到极板的每一侧的外部的活性材料倾向于更容易剥落，导致这些栅格最终仅被“齐平(flush)”粘附。