双极性铅酸蓄电池发展概述

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ｗｗｗ．ｂａｔｔｅｒｙｃｈｎ．ｃｏｍ２０１２Ｎｏ．６Ｖｏｌ．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ＡｐｐｌｉｅｄＩｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌＣａｐｉｔａｌ（ＡＩＣ）公司的首席执行官ＳｔｅｐｈｅｎＲ．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）０６－２６９－０４Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｂｉｐｏｌａｒｌｅａｄ－ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｉｅｓＬＩＸｉａｎ－ｈｏｎｇ（ Shandong Sacredsun Power SourcesCo., Ltd., Qufu Shandong273100, China）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｂｉｐｏｌａｒｌｅａｄ－ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｉｅｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｖａｌｖｅ－ｒｅｇｕｌａｔｅｄｌｅａｄ－ａｃｉｄ（ＶＲＬＡ）ｂａｔｔｅｒｉｅｓｆｒｏｍｔｈｅｖｉｅｗｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｃｏｓｔａｎｄｓｏｏｎ．Ｔｈｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｂｉｐｏｌａｒｌｅａｄ－ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｉｅｓ（Ｂ－ＬＡＢ）ｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢ－ＬＡＢａｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｂｉｐｏｌａｒｌｅａｄ－ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｙ（Ｂ－ＬＡＢ）；ｍａｔｒｉｘｍａｔｅｒｉａｌ；ｂｉｐｏｌａｒｃｅｒａｍｉｃｓｅｐａｒａｔｏｒｓｅａｌｅｄｌｅａｄ－ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｙ；ｔｉｔａｎｉｕｍｏｘｉｄｅｂｉｐｏｌａｒｐｌａｔｅ综述２６９蓄电池ＣｈｉｎｅｓｅＬＡＢＡＴＭａｎ２０１２Ｎｏ．６Ｖｏｌ．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．ｃｏｍ２０１２Ｎｏ．６Ｖｏｌ．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１００Ｖ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（ＡｐｐｌｉｅｄＩｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌＣａｐｉｔａｌ）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Ｅａｓｔｐｅｎｎ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１２Ｖ７Ａｈ及４８Ｖ样品电池，且１２Ｖ７Ａｈ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４８Ｖ密封双极性电池样品。３．２Ｅｆｆｐｏｗｅｒ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。ＯＰＴＩＭＡ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５０００００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ＡｎｄｒｅｗＬｏｙｎｓ博士曾于２０１１年３月到中国考察，并介绍了Ａｔｒａｖｅｒｄａ图５４８Ｖ密封双极性电池样品图６Ｅｆｆｐｏｗｅｒ双极性铅酸蓄电池产品照片图７Ｅｆｆｐｏｗｅｒ双极性铅酸蓄电池内部解剖图综述２７１蓄电池ＣｈｉｎｅｓｅＬＡＢＡＴＭａｎ２０１２Ｎｏ．６Ｖｏｌ．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］ＳｔｅｐｈｅｎＲ．Ｃｌａｒｋｅ．Ｂ－ＬＡＢＣｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｇａｍｅｆｏｒｌｅａｄａｃｉｄ，２０１１ｂａｔｔｃｏｎ．［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］ＳｍｉｔｈＷＥ，ＺｕｋｏｓｋｉＣＦ．Ｆｌｏｗｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈａｒｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ．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．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｆｕｍｅｄｓｉｌｉｃａｇｅｌｖａｌｖｅ－ｒｅｇｕｌａｔｅｄｌｅａｄ－ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｉｅｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，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