[发明专利]铅酸电池电流收集器及铅酸电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池， 尤其涉及一种汽车用铅酸电池。

背景技术

众所周知, 为汽车所提供的蓄电池是为储存电能供汽车所用。铅酸电池、镍金属氢电池、锂离子电池是三类在电动汽车、混合动力电动汽车和插入式混合动力电动汽车中具有潜在应用的蓄电池。虽然锂离子电池具有高比能量(瓦小时/公斤)且巳广泛地应用在小型电子装置上，如手机和笔记本电脑, 但是它们的高成本、性能、偏差容许和循环寿命阻碍了它们在电动汽车、混合动力电动汽车和插入式混合动力电动汽车中的应用(见, 美国能源部2009年度能量储存研究和发展的进展报告). 此外基于现今的技术还很难回收利用锂离子电池。虽然镍金属氢电池巳在混合动力电动汽车中使用，但它们的成本高且比能量和电池效率都低。美国能源部的目标是至2014年一辆插入式混合动力电动汽车的电池应该能够行驶40英里全电动里程和成本3400美元。 锂基或镍基电池的现有成本大约是此成本的3至5倍高(以插入式混合动力电动汽车的千瓦小时为基础计算) 。锂基电池的主要成本来自原材料和材料处理的高花费、电池和电池模块的封装、及工厂加工制造。因此需要发展新技术去降低锂基电池的成本。

大多数现有汽车用蓄电池是铅酸电池，这主要是由于铅酸电池廉价、高功率、可靠和98%可回收利用的特性。 然而现有商用铅酸电池的低比能量和短循环寿命阻碍了它们应用在电动汽车、混合动力电动汽车和插入式混合动力电动汽车中。如果能很大地增加铅酸电池的比能量和循环寿命，相对于其它类型的可充电电池铅酸电池应该具有很大的优势。因此发展低成本且具有高比能量和长循环寿命的高级铅酸电池对于电动汽车、混合动力电动汽车、插入式混合动力电动汽车及其它应用都是非常诱人的。

铅酸电池巳经有一百多年的历史。大量的有关其特性的研究巳经被做，数以百计的论文、专利和报告巳经被发表或发布。有关低比能量和短循环寿命的问题仍然等待着人们去解决。众所周知，低比能量主要源自两方面。一是笨重的铅板栅和用于连接极板及从终端导出和引入电流的顶端铅。例如，在商用SLI(起动, 灯光，点火)铅酸电池中，铅板栅和顶端铅的重量大约占电池总重量的27%，而活性材料的重量仅占电池总重量的大约36%(Handbook of Batteries 3rd  edition, p23.17, McGraw-Hill)。 减少铅板栅和顶端铅的重量能增加电池中活性材料的重量比率，从而增加电池的比能量。二是活性材料的低利用率。在现今的SLI铅酸电池中,活性材料的利用率大约是25%到35%。 这样的低利用率主要是由板栅的结构所决定[Electrochemical Power Source, M. Barak, pp196, (The Institution of Electrical Engineers, London, 1980)]。而短循环寿命主要源自正板栅的腐蚀和板极的硫化，特别是负板栅硫化直接导致电池的失效。

近十年来，人们在有关减少铅酸电池板栅重量和改善它们的防腐能力方面已经做了很多工作。一种方法是使用轻金属如铝、铜、铁、钛或者它们的合金作为芯，而其由铅薄膜或铅箔层所覆盖。 早期的工作曾由Henry Walker所做，其巳被表明在美国专利U.S. Patent No. 3,884,716里，在这一工作里，铝被作为芯，其被镀上一铅层，而在铝与铅层之间还加进了一或多层簿金属粘合层。John Timmons等在美国专利U.S. Patent No. 6,447,954里、Ramesh Bhardwaj 等在美国专利U.S. Patent No. 6,586,136 和 U.S. Patent No. 6,566,010里表明了同类型的工作。John Timmons等在美国专利U.S. Patent No. 6,316,148里也表明了由铝或其它金属与铅箔一起经直接压封形成板栅。Yolshina等(Journal of Power Sources 78, 84(1999))曾直接在铝和铝合金表面上沉积铅层作为板栅。Lun-Shu Yeh 等在美国专利U.S.Patent No. 4,683,648里表明了由在钛芯上镀铅层形成板栅。在美国专利U.S.Patent No. 5,339,873和U.S. Patent No. 5,544,681里Robert Feldstein利用钛作为芯，借助离子注入方法沉积铅层在钛芯上。然而，在非常有限的循环次数后，硫酸能穿透这薄的铅覆盖层从而攻击金属芯。