[发明专利]用于铅酸电池的增强的负极板

说明书

背景技术

铅酸电池是一种电化学蓄电池，一般包括正极板、负极板和电解质，电解质一般为含水硫酸。将极板保持在平行方向，并由多孔隔板电隔离，以允许带电离子自由移动。电池正极板包含在表面上用正导电二氧化铅(PbO₂)层覆盖的集电器(即，金属板或栅极)。电池负极板包含用一般为铅(Pb)金属的负活性物质覆盖的集电器。

在放电循环期间，由负极板提供的铅金属(Pb)与离子化硫酸电解质反应，在负极板表面上生成硫酸铅(PbSO₄)，而位于正极板上的PbO₂在近正极板上或正极板附近转化成PbSO₄。在充电循环期间(通过从外部电流供应电子)，在负极板表面上的PbSO₄转化回Pb金属，而在正极板表面上的PbSO₄转化回PbO₂。实际上，充电循环使PbSO₄转化成Pb金属和PbO₂，放电循环通过使PbO₂和Pb金属转化回PbSO₄来释放储存的电势。

为了真正发挥作用，铅酸电池需要负极板保持多孔性。然而，负极板上的海绵状铅的表面可能变得由放电期间形成的PbSO₄不渗透膜覆盖。因此，将少量膨胀剂加入到负活性物质，以防止负极板的Pb金属收缩和固化，并因此防止负极板中孔的收缩或闭合。有机膨胀剂添加剂的实例包括木质素、木质物质、腐黑物、腐殖酸、来自亚硫酸盐和硫酸盐液体的有机物质等。

最近，铅酸电池已作为电源用于电车，电车需要大电流和反复充电和放电。另外，为了使车的内部空间最大，在电车中使用的电池必须在窄空间布置。

对于铅酸电池的普通负电极板，难以得到在高温下使用的令人满意的寿命性能，例如在以上所述用于电动车辆的铅酸电池中。木质素和其他有机膨胀剂通常在早期阶段分解或逃入电解质中，尤其在高温下使用时，导致电池的使用寿命缩短。

另外，铅酸电池的很多新出现的最终用途需要高输入和输出性质与高百分数充电性能(即，在短时间内的高输入性能)。高充电性能极大依赖负极板上存在的PbSO₄的性质。在放电循环期间产生的PbSO₄变成绝缘物质，缺乏离子导电性或电子导电性。另外，PbSO₄的溶解性很差。由于其极差的离子导电性和溶解性，PbSO₄在充电循环期间很慢地转化成金属Pb，并且铅酸电池通常具有低百分数充电性能。

除了常规膨胀剂外，如木质素，可将添加剂加到用于铅酸电池的负极板的糊中，以增加使用寿命，并提高电池的高百分数充电性能。

美国专利6,740,452用炭黑作为添加剂用于铅酸电池的负电池糊中，并与诸如含钡物质的无机膨胀剂和诸如木质素磺酸盐的有机膨胀剂组合。美国专利5,223,352描述用来自聚丙烯腈(PAN)前体或沥青前体的在尺寸上各向同性的(dimensionally isotropic)石墨纤维作为添加剂用于活性物质，由此活性物质形成铅酸电池的极板。美国专利5,156,935描述由炭、石墨或钛酸钾制成的导电须晶用作铅酸电池的负极板的添加剂，所述须晶具有10微米或更小的直径、50或更大的长径比和2m²/g的比表面积。美国专利5,547,783公开用于铅酸电池的负极板的具有100纳米或更小平均粒径的导电添加剂。这些添加剂可以为炭、乙炔黑、聚苯胺、锡粉末或锡化合物粉末。美国专利6,548,211教导用具有不大于30微米的平均粒径的石墨粉末作为添加剂用于铅酸电池的负极板。

用炭黑、石墨炭及其衍生物作为添加剂用于铅酸电池的负极板有几个缺点。炭黑和石墨在混入糊时并且在充电循环期间均具有很低的密度和很差的粒径保持力。因此，它们很容易从负极板渗出穿过隔板，并增加自放电。另外，在暴露于铅酸电池的一般工作电压时，石墨炭可由硫酸盐嵌入，因此其效率可能显著降低。

用于电池的负极板糊一般具有70g/英寸³的近似密度，以达到标准电池容量、充电和寿命性能。具有较低密度的负极板可节约资源，并降低电池制造成本。遗憾的是，由于机械缺陷或不足的化学和/或电化学活性，具有低密度的负极板一般表现差。