CN1110869C - 高容量蓄电池和其充电方法 - Google Patents
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Abstract
一种高容量的蓄电池和其充电方法，它比现有蓄电池的极板和隔板(膜)厚度薄，而在相同体积和重量条件下极板和隔板(膜)的数量增加一倍时，其容量增加70%以上，使其质量比能量可达铅酸蓄电池45Wh/kg以上；对镉镍和镉氢蓄电池大于80Wh/kg以上。且在充电过程中不发热，特别是铅酸蓄电池无电解液的沸腾和冒泡现象。
Description
本发明是关于可充电电池和其充电方法，特别是高容量蓄电池和其充电方法。
可充电电池由于具有循环多次使用的优点，已在各种机器和电器设备上广泛使用。铅酸蓄电池是至今已有百多年历史的最古老的一种蓄电池，由于它具有结构简单、使用方便、性能可靠、原材料来源丰富、生产工艺不复杂、价格较低等优点，仍广泛地应用于工农业、国防、交通运输、通讯等领域。尤其它可以大电流放电，是一种无公害排放的动力源，正日益受到人们的重视。但是铅酸蓄电池也是最笨量的蓄电池。它的质量比能量低下，经过数十年的努力，虽然取得了一定的进展，但到本发明提出之前，还未有重大突破。到目前为止，铅酸蓄电池的质量比能量不超过40Wh/kg，一般仅在15-25Wh/kg左右。使用这样的质量比能量铅酸蓄电池的电动汽车一般行驶百公里左右即需充电，与目前使用汽油的汽车一次加油可行走300-400公里相比差距较大，所以极大地妨碍了电动汽车的发展。从理论计算，铅酸蓄电池的质量比能量可达184Wh/kg，大大高于目前所达到的水平。镍镉蓄电池和镍氢蓄电池的质量比能量目前约50Wh/kg左右，虽高于铅酸蓄电池，但其价格也高于铅酸蓄电池甚多，若用于汽车的动力，则在经济上不合算。因此如何提高蓄电池的容量成了世界各国普遍关注的热门话题；也是各国科技界的重点攻关顶目。为了提高蓄电池的电容量、降低它的重量，其途径在于尽量减少电池槽、盖、板栅、连接条等部件的重量，和尽量提高活性物质的利用率。其中以减薄板栅厚度、增加极板的数量为最具潜力的措施。按理论计算，板栅的厚度减少一半，在同等体积的条件下，极板的数量可以增加近一倍，其电容量可以增加一倍，则质量比能量也可以增加近一倍。但目前实际情况却非如此，虽然将极板数量增加一倍，而电容量却远小于提高一倍的理想状态。如对相同体积的铅酸蓄电池采用4毫米和2毫米厚度的极板进行比较，后者的极板数是前者的2倍，极板的表面积也增加一倍。在使用现有的各种充电方法对它们进行充电后，10小时率容量分别为113Ah和148Ah。也就是说，极板厚度减薄一半，使用现有充电方法后，其10小时放电率的容量只有增加30％。镍镉和镍氢蓄电池的情况也基本如此。所以到目前为止，蓄电池还不能作为一种在经济和实用上都具有竞争力的无公害动力源，特别在在汽车和各种运输车辆的使用上尤为如此。
本发明的目的在于提供一种高容量蓄电池和其充电方法，可使蓄电池的质量比能量提高50％以上。
本发明的目的是这样实现的：
一种高容量电池，它包含外壳、盖板、电极板、隔板/膜和电解液，其特征在于：铅酸蓄电池每2V单体的电极板不少于17块，隔板/膜的数量不少于16块，质量比能量大于45Wh/kg；镉镍和镍氢蓄电池的正极板厚度不大于0.53mm，负极板厚度不大于0.29mm，质量比能量大于80Wh/kg。
一种高容量蓄电池的充电方法，包含组合脉冲充电周期和停止充电周期，其特征在于：在所述的组合脉冲周期的每2π转角内依次为正向大电流脉冲、负向涓流脉冲和负向大电流脉冲；在负向大电流脉冲和下一个正向大电流脉冲之间有一个瞬时停充间隔；组合脉冲充电周期和停止充电周期的占空比为12∶1-18∶1。
所述的高容量蓄电池的充电方法，其特征在于：上述的正向大电流脉冲的峰值电压不大于被充蓄电池端电压的3倍。
所述的高容量蓄电池的充电方法，其特征在于：所述的停止充电周期内可以有不大于150毫安的正向和负向交流脉冲充电涓流。
本发明采取同时减薄极板和隔板(膜)厚度的方法，蓄电池就可在相同体积和重量的条件下，尽量增加极板的数量，从而扩大了极板上活性物质与电解液接触的面积，再利用峰值电压不大于3倍被充蓄电池端电压的正向大电流脉冲1(见附图)对蓄电池进行有效的充电，利用电流不大于150毫安的负向涓流脉冲2克服蓄电池充电时产生的电阻性极化反应，降低因大电流充电所产生的温度，且抑制电池内阻的递增。再由负向大电流脉冲3(峰值电压为正向大电流脉冲1的45-90％)克服正向大电流脉冲1所产生的极板极化反应和硫化，使电解液获得有效平衡，为进一步的正向大电流脉冲1充电奠定基础。在停止充电周期，能有效地消除蓄电池因充电引起的浓差极化反应。这样，由组合脉冲充电周期和停止充电周期以12∶1～18∶1的占空比交替对蓄电池充电，直至充电完毕。与现有的蓄电池不同的是本发明不仅使极板表面的活性物质、同样也使极板深处的活性物质参与了电化学反应，故而极大地增加了蓄电池的储能功能、电能的转换率达95％以上。使用本发明，在蓄电池的极板数量增加一倍时，铅酸蓄电池的质量比能量增加70％以上；镉镍和镍氢蓄电池的质量比能量增加近一倍。如果极板数量超过一倍，则其质量比能量所增加的值将超过上述的数值。此外，本发明还有一个明显的特点是：蓄电池在充电的过程中不会发热，几乎没有温升，特别是铅酸蓄电池也无通常的电解液沸腾和冒泡现象产生。所以本发明在充电过程中既无污染气体的逸出，又大大简化了充电过程中的电池维护工作。此外，蓄电池在大电流放电的过程中温升极小。脉冲电流的频率为25赫兹-32千赫兹，一般充电脉冲以采用交流工频的频率为佳，即50赫兹(或60赫兹)。
附图是本发明的充电波形示意图。
实施例1.现有的6V/5Ah(3组2V)铅酸蓄电池有正极板18块，负极板15块，厚度为1.6毫米，重量为1.16kg，其质量比能量为28.5Wh/kg。用本发明对其改装，使极板厚度为0.8毫米，将隔板(膜)厚度也相应减薄一半。这样在原电池的外壳内安装33块正极板和30块负极板。然后用本发明的充电方法对其充电。组合脉冲充电周期为12秒，停止充电周期为1秒，占空比为12∶1。在每一个组合脉冲充电周期内，如以转角表示脉冲占据的时间，则在每一个2π转角内组合脉冲依次为：正向大电流脉冲1、负向涓流脉冲2和负向大电流脉冲3。正向大电流脉冲1不超过π转角，负向大电流脉冲3为π/4-π/5转角，其余为负向涓流脉冲2所占据。正向大电流脉冲1的峰值电压为10V，电流1A。负向涓流脉冲2不超过150毫安。负向大电流脉冲3的峰值电压为-8V。在正向大电流脉冲1和负向大电流脉冲3之间可以有瞬时停充间隔存在；此时，正向大电流脉冲1所占据的转角将有所减少。采用50赫兹的充电脉冲频率，每个正向大电流脉冲1占据1/100秒-1/125秒；负向涓流脉冲2占据3/400秒-4/500秒；负向大电流脉冲3占据1/400秒-1/500秒；瞬时停充间隔占据约1/400秒。在停止充电周期内可以有不大于150毫安的正向和负向交流脉冲充电涓流。这样由上述的组合脉冲充电周期和停止充电周期交替进行，约10小时，充电结束，成为一个6V/9Ah的蓄电池，其质量比能量为47.4Wh/kg。比原来相同体积和重量的6V/5Ah的蓄电池增加容量80％。如将上述的蓄电池的极板厚度改为0.6毫米，则正极板为45块，负极板为42块，即超过一倍。再以上述同样的充电参数充电后(充电时间将延长)，其10小时率的容量为12.6Ah，质量比能量为65.2Wh/kg，比原来相同体积和重量的6V/5A的蓄电池增加了128％。
实施例2.现有的6V/5Ah铅酸蓄电有正极板18块，负极板15块，厚度为1.6毫米，重量为1.16kg，其质量比能量为28.5Wh/kg。使用本发明对其改装，将极板厚度减薄为0.8毫米，将隔板(膜)厚度也相应减薄一半。这样在原电池的外壳内安装33块正极板和30块负极板。然后用本发明的充电方法对其充电。组合脉冲充电周期为18秒，停止充电周期为1秒，占空比为18∶1。在每一个组合脉冲充电周期内，如以转角表示脉冲占据的时间，则在每一个2π转角内组合脉冲依次为：正向大电流脉冲1、负向涓流脉冲2和负向大电流脉冲3。正向大电流脉冲1不超过π转角，负向大电流脉冲3为π/4-π/5转角，其余为负向涓流脉冲2所占据。正向大电流脉冲1的峰值电压为18V，电流1.5A。负向涓流脉冲2不超过150毫安。负向大电流脉冲3的峰值电压为-8V。在正向大电流脉冲1和负向大电流脉冲3之间可以有瞬时停充间隔存在；此时，正向大电流脉冲1所占据的转角将有所减少。充电脉冲频率为50赫兹时，每个正向大电流脉冲1占据1/100秒-1/125秒；负向涓流脉冲2占据3/400秒-4/500秒；负向大电流脉冲3占据1/400秒-1/500秒；瞬时停充间隔占据约1/400秒。在停止充电周期内可以有不大于150毫安的正向和负向交流脉冲充电涓流。这样由上述的组合脉冲充电周期和停止充电周期交替进行，约6小时，充电结束，成为一个6V/9Ah的蓄电池，其质量比能量为47.4Wh/kg。gn在整个充比原来相同体积和重量的6V/5Ah的蓄电池增加容量80％。但充电时间则随正向大电流脉冲的电压和电流的升高而缩短。
实施例3.现有的1.2V/1100mAh镉镍蓄电池，重27.2g，正极板厚度1.05mm，负极板厚度0.58mm，其质量比能量为48.5Wh/kg。使用本发明对其改装，将极板和隔膜厚度均相应减薄一半。这样在原电池的外壳内安装的极板和隔膜数量均增加一倍，而重量不交。然后用上述的本发明充电方法充电，即可获得1.2V/2200mAh的镉镍蓄电池，其质量比能量为97Wh/kg，比改装前提高一倍。
Claims (4)
1、一种高容量电池，它包含外壳、盖板、电极板、隔板/膜和电解液，其特征在于：铅酸蓄电池每2V单体的电极板不少于17块，隔板/膜的数量不少于16块，质量比能量大于45Wh/kg；镉镍和镍氢蓄电池的正极板厚度不大于0.53mm，负极板厚度不大于0.29mm，质量比能量大于80Wh/kg。
2、一种高容量蓄电池的充电方法，包含组合脉冲充电周期和停止充电周期：其特征在于在所述的组合脉冲周期的每2π转角内依次为正向大电流脉冲、负向涓流脉冲和负向大电流脉冲，在负向大电流脉冲和下一个正向大电流脉冲之间有一个瞬时的停充间隔；组合脉冲充电周期和停止充电周期的占空比为12∶1-18∶1。
3、根据权利要求2所述的高容量蓄电池的充电方法，其特征在于：上述的正向大电流脉冲的峰值电压不大于被充蓄电池端电压的3倍。
4、根据权利要求2所述的高容量蓄电池的充电方法，其特征在于：上述的停止充电周期内可以有不大于150毫安的正向和负向交流脉冲充电涓流。
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