双极性铅酸蓄电池发展概述_李现红

ｗｗｗ．ｂａｔｔｅｒｙｃｈｎ．ｃｏｍ２０１２ Ｎｏ．６ Ｖｏｌ．４９收稿日期： ２０１２－ ０１－ ０５０ 前言铅酸蓄电池之所以能够百年长青，除了其生产工艺成熟 、 廉格低价 、 安全性高等传统的优点外，还与它近些年发展了许多新技术密切相关 ［１］ ，双极性铅酸蓄电池就是其中之一 。 基于 ２０１１ 年 ５ 月１６ ～ １８ 日在美国佛罗里达州奥兰多召开的国际固定型蓄电池会议及展销会，由 Ａｐｐｌｉｅｄ ＩｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌＣａｐｉｔａｌ （ ＡＩＣ ） 公司的首席执行官 Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｒ． Ｃｌａｒｋｅ所介绍的双极性电池研究报告 ［２］ ，本文对双极性铅酸蓄电池技术及当前研究现状进行介绍，并与传统阀控式铅酸蓄电池进行了对比分析 。１ 铅酸蓄电池全球市场现状铅酸蓄电池作为最古老的二次电池，自发明至今已有 １５０ 年的历史，但目前其仍占据着二次电池一半以上的份额，在储能 、 备用及电动车辆等领域仍是其他电池无法取代的 ［３］ 。 从 《 ２００９－ ２０１２ 年中国蓄电池行业分析及前景预测报告 》 中得出，中国９５ ％ 以上的电动自行车用动力电池为铅酸蓄电池，而且还在逐年增长 。 预计到 ２０１５ 年国际铅酸蓄电池产值将达到 ７００ 亿元，其中配套电池的产值为２４０ 亿元 。 可见全球铅酸蓄电池市场仍处于稳定增长阶段，在产量和销售量上均占世界主导地位，具体分析如图 １ 。双极性铅酸蓄电池发展概述李 现 红（ 山东圣阳电源股份有限公司，山东 曲阜 ２７３１００ ）摘要： 分 别 从 技术 、性能、成 本 等 方 面 与 传 统 阀控式 铅酸蓄电池 进行 对比 分 析 ， 介绍 了 一 种 新型 结构的 双 极 性铅酸蓄电池， 并 对 当 前 这种 新 型 结构的 双 极 性铅酸蓄电池的 发 展 、 研 究 及 生产应 用 现 状 进行 概述 。关键词： 双 极 性铅酸蓄电池 ； 基 体 材料 ； 双 极式 陶瓷 隔 膜 密 封 铅酸蓄电池 ； 亚 氧化 钛双 极板中图分类号： ＴＭ９１２．９ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００６－ ０８４７（２０１２）０６－ ２６９－ ０４Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｂｉｐｏｌａｒ ｌｅａｄ－ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓＬＩ Ｘｉａｎ－ ｈｏｎｇ（ Shandong Sacredsun Power SourcesCo., Ltd., Qufu Shandong273100, China）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｌｅａｄ－ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｖａｌｖｅ－ ｒｅｇｕｌａｔｅｄｌｅａｄ－ ａｃｉｄ （ＶＲＬＡ） ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ｃｏｓｔ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｌｅａｄ－ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ （Ｂ－ ＬＡＢ） ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂ－ ＬＡＢ ａｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｂｉｐｏｌａｒ ｌｅａｄ－ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ （Ｂ－ ＬＡＢ）； ｍａｔｒｉｘ ｍａｔｅｒｉａｌ； ｂｉｐｏｌａｒ ｃｅｒａｍｉｃ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｓｅａｌｅｄｌｅａｄ－ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ ； ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ综述２６９蓄 电 池Ｃｈｉｎｅｓｅ ＬＡＢＡＴ Ｍ ａｎ２０１２ Ｎｏ．６ Ｖｏｌ．４９２ 双极性铅酸蓄电池与传统单极性铅酸蓄电池技术比较２．１ 传统单极性铅酸蓄电池结构传统的铅酸蓄电池一般都是采用常规的正极板和负极板，中间用隔板将正 、 负极板分开，然后进行焊接，引出接线端子 ［４］ ，这种结构即为铅酸蓄电池标准意义上的单电极结构，如图 ２ 所示 。图 １ 全球二次电池市场现状图 ２ 传统单极性铅酸蓄电池示意图２．２ 双极性铅酸蓄电池２．２．１ 双极性铅酸蓄电池结构与单极性铅酸蓄电池相比，双极性电池是在一片极板上，一侧涂覆正极活性物质，另一侧涂覆负极活性物质，而且每片极板省去了上部的极耳 。 在电池组装时，一面涂有正极活性物质的极板与另一片极板涂有负极活性物质的一侧相对，中间用传统铅酸蓄电池隔板隔开，这样就组成了一个单体电池 。 在应用中，电流仅通过电极板而不需要通过汇流排或端柱，双极性铅酸蓄电池结构示意图如图 ３ 所示 。由于双极性电池正负极活性物质同时涂覆在一片极板的两侧，其极板的基体材料与密封技术既是双极性电池的关键也是难点 。 图 ４ 是模拟的双极性极板各部分参考图 。图 ３ 双极性铅酸蓄电池结构示意图 图 ４ 双极性极板的关键结构２７０ｗｗｗ．ｂａｔｔｅｒｙｃｈｎ．ｃｏｍ２０１２ Ｎｏ．６ Ｖｏｌ．４９２．２．２ 双极性铅酸蓄电池特点与传统单极性铅酸蓄电池相比，改进后的双极性铅酸蓄电池具有以下特点： ① 省略了传统铅酸蓄电池的板栅和汇流排所用的铅，节铅量可达传统铅酸蓄电池的 ５０ ％ ； ② 省略了汇流排 、 端柱及相关元件的制造工序 （ 可减少 ２０ ％ 的生产工序，综合成本节约 ３０ ％ ～ ４０ ％ ） ，而且无需采用其他工艺来防止汇流排及端柱的腐蚀； ③ 活性物质分布更均匀，低电阻，能量密度 、 功率密度高，可快速充电，且在循环过程中能够明显减缓硫酸盐化； ④ 易于组成高电压电池，特别是在组合 １００ Ｖ 以上高电压的电池时独具优势； ⑤ 兼容现有铅酸电池生产方法， ８０ ％ 现有铅酸电池生产设备可用于双极性电池； ⑥ 回收率可达 １００ ％ 。３ 目前双极性铅酸蓄电池研究及生产应用现状３．１ 美国 ＡＩＣ （ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ Ｃａｐｉｔａｌ ） 公司ＡＩＣ 公司对双极性电池有 １５ 年的研究经验，总投资 １０００ 万美元，全部由 ＡＩＣ 承担 。 ２００９ 年中旬，开发出一套测试样品并开始寻找商业合作伙伴 。 ２０１０ 年 １ 月与 Ｅａｓｔ ｐｅｎｎ 制造股份有限公司达成合作关系，在北美和北美自由贸易协定的领域研究及生产双极性电池，预计 ２０１２ 年底可批量产出双极性铅酸蓄电池 。 已产出 １２ Ｖ ７ Ａｈ 及 ４８ Ｖ 样品电池，且 １２ Ｖ ７ Ａｈ 双极性电池壳体尺寸同传统铅酸蓄电池标准壳体尺寸相同 。 图 ５ 为 ４８ Ｖ 密封双极性电池样品 。３．２ Ｅｆｆｐｏｗｅｒ 双极性铅酸蓄电池技术Ｅｆｆｐｏｗｅｒ 双极性铅酸蓄电池的极板 — 采用了以“ 铅 － 渗透 － 陶瓷 ” 作为单体电池间隔墙的技术 。ＯＰＴＩＭ Ａ 与 ＶＯＬＶＯ 汽车制造商合作，开发了一种全新结构的铅酸蓄电池，称为 Ｅｆｆｐｏｗｅｒ 双极式陶瓷隔膜密封铅酸蓄电池，目前已安装在本田的 Ｉｎｓｉｇｈｔ混合动力电动车上作为动力电池，其优点是输出功率高，循环寿命长 。 Ｅｆｆｐｏｗｅｒ 双极性电池产品照片及其双极性电池内部解剖图如图 ６ 、 图 ７ 所示 。 另外，该公司宣传所生产的双极性铅酸蓄电池产品具有非常高的循环寿命， ２．５ ％ ＤＯＤ 可以达到 ５００ ０００次 。 表 １ 为 Ｅｆｆｐｏｗｅｒ 双极性铅酸蓄电池产品相关参数 。３．３ 英国威尔士的 Ａｔｒａｖｅｒｄａ 公司２００９ 年 ４ 月 ２３ 日，宣称是世界上唯一一家亚氧化钛双极板的英国威尔士 Ａｔｒａｖｅｒｄａ 公司成立了英国第一家双极性蓄电池开发研究实验室，该实验室设于威尔士格拉摩根大学内，将在测试和开发双极性蓄电池项目中起核心作用 。 该双极性蓄电池使用的是由威尔士的 Ａｔｒａｖｅｒｄａ 先进材料公司制造的特殊元件 。 该公司首席技术官 Ａｎｄｒｅｗ Ｌｏｙｎｓ 博士曾于 ２０１１ 年 ３ 月到中国考察，并介绍了 Ａｔｒａｖｅｒｄａ图 ５ ４８ Ｖ 密封双极性电池样品图 ６ Ｅｆｆｐｏｗｅｒ 双极性铅酸蓄电池产品照片图 ７ Ｅｆｆｐｏｗｅｒ 双极性铅酸蓄电池内部解剖图综述２７１蓄 电 池Ｃｈｉｎｅｓｅ ＬＡＢＡＴ Ｍ ａｎ２０１２ Ｎｏ．６ Ｖｏｌ．４９公司及双极性蓄电池的结构和原理，同时表示了与中国企业的合作意向 。３．４ 中国双极性铅酸蓄电池研究现状由于能源问题的加剧 、 社会的快速发展 、 及人们对环保意识的逐渐增强，对传统铅酸蓄电池的技术改造和再创新已成为一种趋势 。 近几年，中国的一些科研单位 、 新型材料公司 、 铅酸蓄电池企业等也开始对双极性铅酸蓄电池及其关键材料进行探索 。 其中永兴惠友新材料有限公司 （ 该公司是一家材料研发及生产企业 ） ，曾于 ２０１１ 年 ６ 月份在北京举行的 “ 第十届中国国际电池产品及原辅材料 、 零部件 、 机械设备展示交易会 ” 上展示出了双极性电池样品模型，如图 ８ 所示 。由图 ８ 可以看出，虽然展示的仅仅为双极性电池的雏形，制作工艺相对简易 。 但是从关键材料的研究与应用 、 密封技术设计 、 活性物质的涂覆等都为国内双极性铅酸蓄电池的研究与开发奠定了良好的基础 。４ 小结综上所述，得到目前除 Ｅｆｆｐｏｗｅｒ 公司已将双极性铅酸蓄电池安装在本田的 Ｉｎｓｉｇｈｔ 混合动力电动车上作为动力电池进行实际应用之外，国际上其他铅酸蓄电池企业在市场上还没有成型的双极性铅酸蓄电池商品出现 。 其难点是应用于铅酸蓄电池的双极性基板的选择和制造，一方面要确保其轻质 （ 提高比能量 ） 、 基体无孔 （ 防止内短路 ） 、 导电性好 、耐蚀 。 另一方面还要设计更为合理的结构，使其涂板 、 密封 、 化成 、 免维护上有较好的工艺保证 。参考文献 ：［１］ 杨裕生 ． 用新技术武装铅酸电池 ， 为我国科学发展做出更大贡献 ［Ｊ］． 电池工业 ， ２０１０， １５（３）： １９２．［２］ Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｒ． Ｃｌａｒｋｅ． Ｂ－ ＬＡＢ： Ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｇａｍｅ ｆｏｒｌｅａｄ ａｃｉｄ， ２０１１ ｂａｔｔｃｏｎ．［３］ 胡信国 ， 毛贤仙 ． 中国铅酸蓄电池工业发展状况［Ｊ］． 蓄电池 ， ２０００（１）： ３９－ ４６．［４］ 朱松然 ． 蓄电池手册 ［Ｍ］． 天津 ： 天津大学出版社 ，第 １ 版 ， １９９８， ４６－ ４８．图 ８ 展会上出现的双极性电池模型!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（ 上接第 ２４６ 页 ）［１０］ 何颖 ， 李春忠 ， 程起林 ， 等 ． 气相二氧化硅聚集体的网络结构对硅橡胶性能的影响 ［Ｊ］． 功能材料 ，２００５， ３６（１２）： １９１５－ １９１８．［１１］ 杨勇 ， 梁晶晶 ． 不同电解液添加剂对蓄电池循环性能的影响 ［Ｊ］． 蓄电池 ， ２０１１， ４（４８）： １５７－ １５９．［１２］ Ｓｍｉｔｈ Ｗ Ｅ， Ｚｕｋｏｓｋｉ Ｃ Ｆ． Ｆｌｏｗ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｈａｒｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ． Ｊ． Ｒｈｅｏｌ．， ２００４， ４８（６）： １３７５－ １３８８．［１３］ 陈妹琼 ， 张敏 ， 蔡志泉 ， 等 ． 多元醇对气相二氧化硅胶体电解液电化学性能的影响 ［Ｊ］． 蓄电池 ，２０１０， ４７（２）： ５８－ ６２．［１４］ 王景川 ． 胶体蓄电池及其电解质中的气相二氧化硅 ［Ｊ］． 蓄电池 ， ２００２（２）： ６５－ ６７．［１５］ Ｍ ． Ｑ． Ｃｈｅｎ， Ｈ． Ｙ． Ｃｈｅｎ， Ｄ． Ｓｈｕ， Ａ． Ｊ． Ｌｉ， Ｄ． Ｅ．Ｆｉｎｌｏｗ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｆｕｍｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｇｅｌ ｖａｌｖｅ－ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｌｅａｄ－ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ， ２００８， １８１ （１）： １６１－ １７１．［１６］ 徐庞连 ， 陈妹琼 ， 陈红雨 ． 气相二氧化硅含量对胶体电解质性能的影响 ［Ｊ］． 蓄电池 ， ２００７， ４４（４）：１６１－ １６３．!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! “!!!“!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!“!!!“欢迎订阅 欢迎投稿２７２