CN101335342A - 内部粒子可活动的蓄电池电极及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
内部粒子可活动的蓄电池电极及其生产方法，蓄电池电极技术领域。其特征在于包括安装在电池体内的电极框，电极框内堆积可活动的电极粒子，所述的电极粒子为固体电极材料制成的阴极粒子或阳极粒子，所述的电极框为网状结构，电极框上连接设置伸出电池体外的输入管道、输出管道，电极框上还连接设置电极接线柱。上述内部粒子可活动的蓄电池电极及其生产方法，打破了蓄电池的电极固定在蓄电池内部的传统模式，其电极粒子可输入或输出电池体，不仅能在电池体内进行充电，且还可移到电池体外进行充电、维护。其优点在于：可实现电池电极生产的自动化；缩小电池的体积和减轻电池的质量；提高电池的使用性能；实现快速充电。
Description
技术领域
本发明属于蓄电池电极技术领域，具体为内部粒子可活动的蓄电池电极及其生产方法。
背景技术
现有的蓄电池包含一对被固定蓄电池内部的电极：阴极(正极)与阳极(负极)，这种蓄电池的放电与充电工作过程是在这一对电极间分别发生氧化和还原反应，在放电过程中，阳极被氧化失去电子，阴极被还原得到电子，而在充电过程中，这种反应是逆反的。一旦充电的过程完成后，又进入下一轮的放充电的过程，藉此完成电池的一个工作周期。目前蓄电池的生产和使用都在遵循着蓄电池内部的电极固定在蓄电池内部的传统模式，这种模式下蓄电池的一对电极是永久安装在电池体内的，有一定的局限性，表现为：
一、电池使用中充电和放电效率不稳定。人们为了提高电池电极的充放电效率、使用寿命，一直在不断的改进制成电极的材料及生产工艺，但电池生产技术始终没有脱离并局限于安装固定电极于电池内，及电池使用过程始终没有离开并局限于充电-放电的这一设计流程。电池在不断的使用过程中，不可避免的电极会逐渐老化、充电次数与充电效率会成反比、随着电池的老化，充电时间会越来越长且充电和放电效率会越来越低下。且这种模式下蓄电池的充电时间也是由设计产品时限定并固定下来的，人们为了缩短充电时间、延长放电时间，一直在探索尝试使用新材料来充当蓄电池的电极和改进电极的制作工艺，而每次在充电时间阶段性、突破性地缩短的同时，提高充电和放电效率的代价往往是：提高使用材料成本或制作成本、增加体积或重量来实现的。问题关键是设计理念始终没有跳出在蓄电池内安装固定电极以及设定蓄电池充电时间恒定参数这一固有思维的惯性。
二、充电时间过长且一成不变。由于目前技术下的蓄电池充电时间偏长且固定不变，在一些对充电时间有特定要求的蓄电池，如充电时间限制方面要求较高的电动汽车，因存在不能快速地短时间充电的缺陷而使电动汽车专用蓄电池的使用难以推广。
三、现有蓄电池内部固定电极的生产过程过于复杂。其生产工序还不能实现自动化，如蓄电池电极的安装目前工艺还是停留在手工阶段，每一台电池的电极都是在后道工序中安装的，工艺既复杂产能又低且污染环境。
四、现有蓄电池的极板笨重且体积偏大。由于要尽可能的延长电池电极的使用寿命，往往将电池极板做的尽可能厚大，结果是这种模式下的电池产品均相对较笨重且体积偏大。
五、电极使用寿命和使用效率不能保证。由于生产企业的生产标准不一，所生产的电池产品的使用环境要求不同，因使用不当而使电池的工作不在工作区内而引起电极损耗，从而会使电池的使用寿命比设计要求的大大缩短。
六、现有蓄电池难以适应电动汽车的市场化。电动汽车的使用离不开及时方便地给电池充电这一必要条件，现有技术下的电动汽车电池由于充电时间过长，不符合及时得到电力能源补充而使电动汽车便捷使用的要求，使电动汽车的使用和普及不能推广，电动汽车产业的发展受到阻碍。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种内部粒子可活动的蓄电池电极及其生产方法的技术方案，该电极中的电极粒子活动安装在电极框内，且可移到电池体外进行充电、维护。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于包括安装在电池体内的电极框，电极框内堆积可活动的电极粒子，所述的电极粒子为固体电极材料制成的阴极粒子或阳极粒子，所述的电极框为网状结构，电极框上连接设置伸出电池体外的输入管道、输出管道，电极框上还连接设置电极接线柱。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的电极粒子包括粒子核、防粘层，粒子核与防粘层之间设置间隙层，防粘层上均匀设置贯穿的离子通道。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的输入管道、输出管道具有向上或向下的倾斜角度，并分别设置输入关口、输出关口。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于电极框采用金属材料、导电橡胶或导电塑料制成。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的粒子核为球形结构，其直径为1-3mm，所述的间隙层厚度为0.01-0.15mm，所述的防粘层厚度为0.03-0.21mm。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的粒子核为立方体结构，其体积为0.5-15mm3。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的粒子核为阴极或阳极固体电极材料制成，所述的防粘层为导电硅胶制成。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用金属材料、导电橡胶或导电塑料制成网状结构的电极框，电极框上设置输入管道、输出管道及电极接线柱；
2)采用固体电极材料制成阴极或阳极电极粒子；
3)在全密闭环境下将制成的电极粒子通过输入通道输入电极框内堆积即可。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极的生产方法，其特征在于上述步骤2)中电极粒子可以采用以下方法生产：采用挤压工艺将阴极或阳极固体电极材料挤压成阴极或阳极粒子核；用喷镀的方法在粒子核表面镀上可用失蜡浇注工艺在后道工艺中除去的蜡层；在上述蜡层表面用喷镀工艺喷镀导电硅胶制成全包裹的防粘层，该防粘层上均匀设置贯穿的离子通道；用失蜡浇注工艺除去上述腊层，形成的空隙即为粒子核与防粘层之间的间隙层。
所述的内部粒子可活动的蓄电池电极的生产方法，其特征在于步骤2)中所述的粒子核为球形结构，其直径为1-3mm，所述的间隙层厚度为0.01-0.15mm，所述的防粘层厚度为0.03-0.21mm。
上述内部粒子可活动的蓄电池电极及其生产方法，打破了蓄电池的电极固定在蓄电池内部的传统模式，该电极的电极粒子可以方便地从电池体外输入到电池体内或输出电池体外，不仅能在电池体内进行充电，且还可移到电池体外进行充电、维护。其优点在于：
1.可实现电池电极生产的自动化。采用上述方法制作的电极，在最后安装内部的电极粒子之前，不可活动的电极框在蓄电池的生产过程中，其形状是事先设定的，是与蓄电池体内除内部电极粒子以外其它各种配件一起用全自动流水线生产安装，并进行塑料壳封闭；电子粒子的设计是统一规格、统一标准的，便于在特定的流水线上、在全封闭的、安全环保的环境中高效率地生产；且与之配套的后期安装也可在全封闭的环境中灌装，生产工艺更经济、方便、环保。
2.缩小电池的体积和减轻电池的质量。由于电极框内的电极粒子是可以活动的，所以不必为了防止电极粒子随着充电时间推延而钝化引起充电和放电效率下降，而将电池的电极做得尽量的笨大和笨重，这种电极的体积和质量可以做得相对的小和轻。
3.提高电池的使用性能。由于时常可以更换电池内部的电极粒子，其电极粒子可以随时输出电池体外在专有的设备上维护，使电池电极始终处于高性能状态。
4.实现快速充电。由于本发明的电极粒子可以输出电池体外充电，这种电池在充电站的充电已不局限于充电时间的限制，电极粒子可事先在专有的充电站充好电，为需快速充电的用电器，如电动汽车进行充电，仅需几分钟时间，就可将充好电的电极粒子迅速的输入电池体内，和汽车加油一样方便，使得电动汽车产业得以快速发展。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为电极粒子的结构示意图；
图中：1-电极框、2-电极粒子、201-防粘层、202-离子通道、203-间隙层、204-粒子核、3-输入通道、3a-输入关口、4-输出通道、4a-输出关口、5-电极接线柱。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图所示，该内部粒子可活动的蓄电池电极包括安装在电池体内的电极框1，电极框1内堆积可活动的电极粒子2，所述的电极粒子2为固体电极材料制成的阴极粒子或阳极粒子，所述的电极框1为网状结构，电极框1上连接设置伸出电池体外的输入管道3、输出管道4，电极框1上还连接设置电极接线柱5。所述的输入管道3、输出管道4具有向上或向下的倾斜角度，其上分别设置输入关口3a、输出关口4a，且输入管道3、输出管道4的管径为能使3-4个的电极粒子2同时通过的大小，再运用粒子的自重使电极粒子2的输送保持顺畅。电极框1采用网状结构的金属材料、导电橡胶或导电塑料制成，不仅能导电，还为了使电解质通过电极框1与电极粒子2反应。
所述的电极粒子2包括粒子核204、防粘层201，粒子核204与防粘层201之间设置间隙层203，防粘层201上均匀设置贯穿的便于电子、离子通过的离子通道202。所述的粒子核204为现有电池电极或今后开发的的阴极或阳极固体电极材料制成，是电极的主要工作部分，是电极粒子2的核心部分。所述的防粘层201为导电硅胶制成。该电极粒子2即不宜破碎又不宜粘连，这样便于输入输出。设置间隙层203是为了便于粒子核204表面的物质可以与电子充分的发生反应。
所述的粒子核204为球形结构，其直径为1-3mm，所述的间隙层203厚度为0.01-0.15mm，所述的防粘层201厚度为0.03-0.21mm。所述的粒子核204为立方体结构，其体积为0.5-15mm3，该粒子核204也可以根据需要制成其它结构。
该蓄电池电极的生产方法包括以下步骤：
1)采用金属材料、导电橡胶或导电塑料制成网状结构的电极框1，电极框1上设置输入管道3、输出管道4及电极接线柱5；
2)采用固体电极材料制成阴极或阳极电极粒子2；
3)在全密闭环境下将制成的电极粒子2通过输入通道3输入电极框1内堆积即可。
其中上述步骤2)的电极粒子2也可采用下述生产方法制得：用挤压工艺将阴极或阳极固体电极材料挤压成阴极或阳极粒子核204；用喷镀的方法在粒子核204表面镀上可用失蜡浇注工艺在后道工艺中除去的蜡层；在上述蜡层表面用喷镀工艺喷镀导电硅胶制成全包裹的防粘层201，该防粘层201上均匀设置贯穿的离子通道202；用失蜡浇注工艺除去上述腊层，形成的空隙即为粒子核204与防粘层201之间的间隙层203，失蜡浇注工艺可用现有的物理方法和化学方法。
采用上述方法制作的电极，在最后安装内部的电极粒子2之前，不可活动的电极框1在蓄电池的生产过程中，其形状是事先设定的，是与蓄电池体内除内部电极粒子2以外其它各种配件一起用全自动流水线生产安装，并进行塑料壳封闭；电子粒子2的设计是统一规格、统一标准的，便于在特定的流水线上、在全封闭的、安全环保的环境中高效率地生产；且与之配套的后期安装也可在全封闭的环境中灌装，生产工艺更经济、方便、环保。
本发明中涉及的蓄电池体内除了上述蓄电池电极外，其它各种配件均为现有公知结构。本发明中涉及的蓄电池可以是铅酸蓄电池、锂离子电池等现有结构的蓄电池。
铅酸蓄电池正极活性物质是二氧化铅，负极活性物质是海绵铅，电解液是稀硫酸溶液。其放电化学反应为二氧化铅、海绵铅与电解液反应生成硫酸铅和水，Pb(负极)+PbO2(正极)+2H2SO4＝＝＝＝2PbSO4+2H2O(放电反应)；其充电化学反应为硫酸铅和水转化为二氧化铅、海绵铅与稀硫酸，2PbSO4+2H2O＝＝＝＝Pb(负极)+PbO2(正极)+2H2SO4(充电反应)。铅酸蓄电池单格额定电压为2.0V，一般串联为6V、12V用于汽车、摩托车启动照明使用，单替电池一般串联为48V、96V、110或220V用于不同场合。电池内正、负极板间采用电阻极低、杂质少成分稳定离子能通过的橡胶、PVC、PE或AGM隔板。
锂离子电池锂是世界最轻的金属，构成电池时，输出电压近4v。锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，其优点是比能量高，是当前比能量最高的蓄电池，已经在便携式信息产品中获得推广应用。1995年，索尼公司又开发成功用于电动车的锂离子蓄电池，共分两种类型：一种是用于纯电动车(EV)容量为100Ah的圆柱形单体电池，称为高能型锂离子蓄电池；另一种是用于混合动力车(HEV)，容量为22Ah，8只串联成电池模块，但其输出功率为前者的2.7倍，称为高功率型锂离子电池。高能型电池已于1996年装在日产汽车公司开发的第一辆锂离子电动汽车上(日产Al-traEV)，在北京第一届国际电动车展览会上展出。该车一次充电可行驶200km，最高时速120Km/h。锂离子电池被普遍认为具有如下的优点：比能量大；比功率高；自放电小；无记忆效应；循环特性好；可快速放电，且效率高；工作温度范围宽；无环境污染等，因此有望进入21世纪最好的动力电源行列。预计在2006～2012年期间，当锂离子电池进一步发展时，MH/Ni蓄电池的市场份额将缩小，锂离子市场份额将会扩大。镍氢蓄电池和锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成二次污染，有较好的市场前景。
当本发明涉及的蓄电池为铅酸蓄电池时，本专利申请中电极粒子2或其粒子核204采用铅酸蓄电池正极或负极固体材料制成，然后将数目相等的正极和负极电极粒子2分别装入不同的电极框1内构成一对正负电极，电池体内可以根据需要安装一对或一对以上的正负电极。整个电极框1完全浸泡在电池内的稀硫酸溶液中，使得各个电极框1内的阴极和阳极电极粒子2与稀硫酸溶液进行充分的化学反应。当本发明涉及的蓄电池为锂离子电池等现有结构的其它蓄电池时，本专利申请中蓄电池电极的生产原料、安装方式及其反应原理与之相对应。
Claims (10)
1、内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于包括安装在电池体内的电极框(1)，电极框(1)内堆积可活动的电极粒子(2)，所述的电极粒子(2)为固体电极材料制成的阴极粒子或阳极粒子，所述的电极框(1)为网状结构，电极框(1)上连接设置伸出电池体外的输入管道(3)、输出管道(4)，电极框(1)上还连接设置电极接线柱(5)。
2、如权利要求1所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的电极粒子(2)包括粒子核(204)、防粘层(201)，粒子核(204)与防粘层(201)之间设置间隙层(203)，防粘层(201)上均匀设置贯穿的离子通道(202)。
3、如权利要求1所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的输入管道(3)、输出管道(4)具有向上或向下的倾斜角度，并分别设置输入关口(3a)、输出关口(4a)。
4、如权利要求1所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于电极框(1)采用金属材料、导电橡胶或导电塑料制成。
5、如权利要求2所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的粒子核(204)为球形结构，其直径为1-3mm，所述的间隙层(203)厚度为0.01-0.15mm，所述的防粘层(201)厚度为0.03-0.21mm。
6、如权利要求2所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的粒子核(204)为立方体结构，其体积为0.5-15mm3。
7、如权利要求2所述的内部粒子可活动的蓄电池电极，其特征在于所述的粒子核(204)为阴极或阳极固体电极材料制成，所述的防粘层(201)为导电硅胶制成。
8、如权利要求1所述的内部粒子可活动的蓄电池电极的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用金属材料、导电橡胶或导电塑料制成网状结构的电极框(1)，电极框(1)上设置输入管道(3)、输出管道(4)及电极接线柱(5)；
2)采用固体电极材料制成阴极或阳极电极粒子(2)；
3)在全密闭环境下将制成的电极粒子(2)通过输入通道(3)输入电极框(1)内堆积即可。
9、如权利要求2所述的内部粒子可活动的蓄电池电极的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用金属材料、导电橡胶或导电塑料制成网状结构的电极框(1)，电极框(1)上设置输入管道(3)、输出管道(4)及电极接线柱(5)；
2)电极粒子(2)的生产方法：采用挤压工艺将阴极或阳极固体电极材料挤压成阴极或阳极粒子核(204)；用喷镀的方法在粒子核(204)表面镀上可用失蜡浇注工艺在后道工艺中除去的蜡层；在上述蜡层表面用喷镀工艺喷镀导电硅胶制成全包裹的防粘层(201)，该防粘层(201)上均匀设置贯穿的离子通道(202)；用失蜡浇注工艺除去上述腊层，形成的空隙即为粒子核(204)与防粘层(201)之间的间隙层(203)；
3)在全密闭环境下将制成的电极粒子(2)通过输入通道(3)输入电极框(1)内堆积即可。
10、如权利要求8或9所述的内部粒子可活动的蓄电池电极的生产方法，其特征在于步骤2)中所述的粒子核(204)为球形结构，其直径为1-3mm，所述的间隙层(203)厚度为0.01-0.15mm，所述的防粘层(201)厚度为0.03-0.21mm。
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