專利名稱：高容量蓄電池和其充電方法
技術領域：
本發(fā)明是關于可充電電池和其充電方法，特別是高容量蓄電池和其充電方法。
可充電電池由于具有循環(huán)多次使用的優(yōu)點，已在各種機器和電器設備上廣泛使用。鉛酸蓄電池是至今已有百多年歷史的最古老的一種蓄電池，由于它具有結構簡單、使用方便、性能可靠、原材料來源豐富、生產(chǎn)工藝不復雜、價格較低等優(yōu)點，仍廣泛地應用于工農(nóng)業(yè)、國防、交通運輸、通訊等領域。尤其它可以大電流放電，是一種無公害排放的動力源，正日益受到人們的重視。但是鉛酸蓄電池也是最笨量的蓄電池。它的質(zhì)量比能量低下，經(jīng)過數(shù)十年的努力，雖然取得了一定的進展，但到本發(fā)明提出之前，還未有重大突破。到目前為止，鉛酸蓄電池的質(zhì)量比能量不超過40Wh/kg，一般僅在15-25Wh/kg左右。使用這樣的質(zhì)量比能量鉛酸蓄電池的電動汽車一般行駛百公里左右即需充電，與目前使用汽油的汽車一次加油可行走300-400公里相比差距較大，所以極大地妨礙了電動汽車的發(fā)展。從理論計算，鉛酸蓄電池的質(zhì)量比能量可達184Wh/kg，大大高于目前所達到的水平。鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池的質(zhì)量比能量目前約50Wh/kg左右，雖高于鉛酸蓄電池，但其價格也高于鉛酸蓄電池甚多，若用于汽車的動力，則在經(jīng)濟上不合算。因此如何提高蓄電池的容量成了世界各國普遍關注的熱門話題；也是各國科技界的重點攻關頂目。為了提高蓄電池的電容量、降低它的重量，其途徑在于盡量減少電池槽、蓋、板柵、連接條等部件的重量，和盡量提高活性物質(zhì)的利用率。其中以減薄板柵厚度、增加極板的數(shù)量為最具潛力的措施。按理論計算，板柵的厚度減少一半，在同等體積的條件下，極板的數(shù)量可以增加近一倍，其電容量可以增加一倍，則質(zhì)量比能量也可以增加近一倍。但目前實際情況卻非如此，雖然將極板數(shù)量增加一倍，而電容量卻遠小于提高一倍的理想狀態(tài)。如對相同體積的鉛酸蓄電池采用4毫米和2毫米厚度的極板進行比較，后者的極板數(shù)是前者的2倍，極板的表面積也增加一倍。在使用現(xiàn)有的各種充電方法對它們進行充電后，10小時率容量分別為113Ah和148Ah。也就是說，極板厚度減薄一半，使用現(xiàn)有充電方法后，其10小時放電率的容量只有增加30％。鎳鎘和鎳氫蓄電池的情況也基本如此。所以到目前為止，蓄電池還不能作為一種在經(jīng)濟和實用上都具有競爭力的無公害動力源，特別在在汽車和各種運輸車輛的使用上尤為如此。
本發(fā)明的目的在于提供一種高容量蓄電池和其充電方法，可使蓄電池的質(zhì)量比能量大于50Wh/kg。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種高容量的蓄電池，它包含外殼、蓋板、電極板、隔板(膜)和電解液等，其特征在于蓄電池所述的電極板和隔板(膜)的數(shù)量至少為現(xiàn)有同體積蓄電池的二倍，其質(zhì)量比能量對鉛酸蓄電池大于45Wh/kg；對鎘鎳和鎘氫蓄電池大于80Wh/kg。
一種高容量蓄電池的充電方法，包含組合脈沖充電周期和停止充電周期，其特征在于在所述的組合脈沖周期的每2π轉角內(nèi)依次為正向大電流脈沖、負向涓流脈沖和負向大電流脈沖；組合脈沖充電周期和停止充電周期的占空比為(12-18)∶1。
所述的高容量蓄電池的充電方法，其特征在于在所述的負向大電流脈沖和下一個正向大電流脈沖之間有一個瞬時停充間隔。
所述的高容量蓄電池的充電方法，其特征在于上述的正向大電流脈沖的峰值電壓不大于被充蓄電池端電壓的3倍。
所述的可提高鉛酸蓄電池容量的脈沖充電方法，其特征在于所述的停止充電周期內(nèi)可以有不大于150毫安的正向和負向交流脈沖充電涓流。
本發(fā)明采取同時減薄極板和隔板(膜)厚度的方法，蓄電池就可在相同體積和重量的條件下，盡量增加極板的數(shù)量，從而擴大了極板上活性物質(zhì)與電解液接觸的面積，再利用峰值電壓不大于3倍被充蓄電池端電壓的正向大電流脈沖1(見附圖
)對蓄電池進行有效的充電，利用電流不大于150毫安的負向涓流脈沖2克服蓄電池充電時產(chǎn)生的電阻性極化反應，降低因大電流充電所產(chǎn)生的溫度，且抑制電池內(nèi)阻的遞增。再由負向大電流脈沖3(峰值電壓為正向大電流脈沖1的45-90％)克服正向大電流脈沖1所產(chǎn)生的極板極化反應和硫化，使電解液獲得有效平衡，為進一步的正向大電流脈沖1充電奠定基礎。在停止充電周期，能有效地消除蓄電池因充電引起的濃差極化反應。這樣，由組合脈沖充電周期和停止充電周期以(12-18)∶1的占空比交替對蓄電池充電，直至充電完畢。與現(xiàn)有的蓄電池不同的是本發(fā)明不僅使極板表面的活性物質(zhì)、同樣也使極板深處的活性物質(zhì)參與了電化學反應，故而極大地增加了蓄電池的儲能功能，電能的轉換率達95％以上。使用本發(fā)明，在蓄電池的極板數(shù)量增加一倍時，鉛酸蓄電池的質(zhì)量比能量增加70％以上；鎘鎳和鎘氫蓄電池的質(zhì)量比能量增加近一倍。如果極板數(shù)量超過一倍，則其質(zhì)量比能量所增加的值將超過上述的數(shù)值。此外，本發(fā)明還有一個明顯的特點是蓄電池在充電的過程中不會發(fā)熱，幾乎沒有溫升，特別是鉛酸蓄電池也無通常的電解液沸騰和冒泡現(xiàn)象產(chǎn)生。所以本發(fā)明在充電過程中既無污染氣體的逸出，又大大簡化了充電過程中的電池維護工作。此外，蓄電池在大電流放電的過程中溫升極小。脈沖電流的頻率為25赫茲-32千赫茲，一般充電脈沖以采用交流工頻的頻率為佳，即50赫茲(或60赫茲)。
附圖是本發(fā)明的充電波形示意圖。
實施例1．現(xiàn)有的6V/5Ah(3組2V)鉛酸蓄電池有正極板18塊，負極板15塊，厚度為1.6毫米，重量為1.16kg，其質(zhì)量比能量為28.5Wh/kg。用本發(fā)明對其改裝，使極板厚度為0.8毫米，將隔板(膜)厚度也相應減薄一半。這樣在原電池的外殼內(nèi)安裝33塊正極板和30塊負極板。然后用本發(fā)明的充電方法對其充電。組合脈沖充電周期為12秒，停止充電周期為1秒，占空比為12∶1。在每一個組合脈沖充電周期內(nèi)，如以轉角表示脈沖占據(jù)的時間，則在每一個2π轉角內(nèi)組合脈沖依次為正向大電流脈沖1、負向涓流脈沖2和負向大電流脈沖3。正向大電流脈沖1不超過π轉角，負向大電流脈沖3為π/4-π/5轉角，其余為負向涓流脈沖2所占據(jù)。正向大電流脈沖1的峰值電壓為10V，電流1A。負向涓流脈沖2不超過150毫安。負向大電流脈沖3的峰值電壓為-8V。在正向大電流脈沖1和負向大電流脈沖3之間可以有瞬時停充間隔存在；此時，正向大電流脈沖1所占據(jù)的轉角將有所減少。采用50赫茲的充電脈沖頻率，每個正向大電流脈沖1占據(jù)1/100秒-1/125秒；負向涓流脈沖2占據(jù)3/400秒-4/500秒；負向大電流脈沖3占據(jù)1/400秒-1/500秒；瞬時停充間隔占據(jù)約1/400秒。在停止充電周期內(nèi)可以有不大于150毫安的正向和負向交流脈沖充電涓流。這樣由上述的組合脈沖充電周期和停止充電周期交替進行，約10小時，充電結束，成為一個6V/9Ah的蓄電池，其質(zhì)量比能量為47.4Wh/kg。比原來相同體積和重量的6V/5Ah的蓄電池增加容量80％。如將上述的蓄電池的極板厚度改為0.6毫米，則正極板為45塊，負極板為42塊，即超過一倍。再以上述同樣的充電參數(shù)充電后(充電時間將延長)，其10小時率的容量為12.6Ah，質(zhì)量比能量為65.2Wh/kg，比原來相同體積和重量的6V/5A的蓄電池增加了128％。
實施例2．現(xiàn)有的6V/5Ah鉛酸蓄電有正極板18塊，負極板15塊，厚度為1.6毫米，重量為1.16kg，其質(zhì)量比能量為28.5Wh/kg。使用本發(fā)明對其改裝，將極板厚度減薄為0.8毫米，將隔板(膜)厚度也相應減薄一半。這樣在原電池的外殼內(nèi)安裝33塊正極板和30塊負極板。然后用本發(fā)明的充電方法對其充電。組合脈沖充電周期為18秒，停止充電周期為1秒，占空比為18∶1。在每一個組合脈沖充電周期內(nèi)，如以轉角表示脈沖占據(jù)的時間，則在每一個2π轉角內(nèi)組合脈沖依次為正向大電流脈沖1、負向涓流脈沖2和負向大電流脈沖3。正向大電流脈沖1不超過π轉角，負向大電流脈沖3為π/4-π/5轉角，其余為負向涓流脈沖2所占據(jù)。正向大電流脈沖1的峰值電壓為18V，電流1.5A。負向涓流脈沖2不超過150毫安。負向大電流脈沖3的峰值電壓為-8V。在正向大電流脈沖1和負向大電流脈沖3之間可以有瞬時停充間隔存在；此時，正向大電流脈沖1所占據(jù)的轉角將有所減少。充電脈沖頻率為50赫茲時，每個正向大電流脈沖1占據(jù)1/100秒-1/125秒；負向涓流脈沖2占據(jù)3/400秒-4/500秒；負向大電流脈沖3占據(jù)1/400秒-/1500秒；瞬時停充間隔占據(jù)約1/400秒。在停止充電周期內(nèi)可以有不大于150毫安的正向和負向交流脈沖充電涓流。這樣由上述的組合脈沖充電周期和停止充電周期交替進行，約6小時，充電結束，成為一個6V/9Ah的蓄電池，其質(zhì)量比能量為47.4Wh/kg。gn在整個充比原來相同體積和重量的6V/5Ah的蓄電池增加容量80％。但充電時間則隨正向大電流脈沖的電壓和電流的升高而縮短。
實施例3．現(xiàn)有的1.2V/1100mAh鎘鎳蓄電池，重27.2g，正極板厚度105絲，負極板厚度58絲，其質(zhì)量比能量為48.5Wh/kg。使用本發(fā)明對其改裝，將極板和隔膜厚度均相應減薄一半。這樣在原電池的外殼內(nèi)安裝的極板和隔膜數(shù)量均增加一倍，而重量不變。然后用上述的本發(fā)明充電方法充電，即可獲得1.2V/2200mAh的鎘鎳蓄電池，其質(zhì)量比能量為97Wh/kg，比改裝前提高一倍。
權利要求
1．一種高容量的蓄電池，它包含外殼、蓋板、電極板、隔板(膜)和電解液等，其特征在于蓄電池所述的電極板和隔板(膜)的數(shù)量至少為現(xiàn)有同體積蓄電池的二倍，而其質(zhì)量比能量對鉛酸蓄電池大于45Wh/kg；對鎘鎳和鎘氫蓄電池大于80Wh/kg。
2．一種高容量蓄電池的充電方法，包含組合脈沖充電周期和停止充電周期其特征在于在所述的組合脈沖周期的每2π轉角內(nèi)依次為正向大電流脈沖、負向涓流脈沖和負向大電流脈沖，在負向大電流脈沖和下一個正向大電流脈沖之間有一個瞬時的停充間隔；組合脈沖充電周期和停止充電周期的占空比為(12-18)∶1。
3．根據(jù)權利要求2所述的高客量蓄電池的充電方法，其特征在于在所述的負向大電流脈沖和下一個正向大電流脈沖之間有一個瞬時停充間隔。
4．根據(jù)權利要求2所述的高容量蓄電池的充電方法，其特征在于上述的正向大電流脈沖的峰值電壓不大于被充蓄電池端電壓的3倍。
5．根據(jù)權利要求2所述的高容量蓄電池的充電方法，其特征在于上述的停止充電周期內(nèi)可以有不大于150毫安的正向和負向交流脈沖充電涓流。
全文摘要
一種高容量的蓄電池和其充電方法,它比現(xiàn)有蓄電池的極板和隔板(膜)厚度薄,而在相同體積和重量條件下極板和隔板(膜)的數(shù)量增加一倍時,其容量增加70%以上,使其質(zhì)量比能量可達鉛酸蓄電池45Wh/kg以上;對鎘鎳和鎘氫蓄電池大于80Wh/kg以上。且在充電過程中不發(fā)熱,特別是鉛酸蓄電池無電解液的沸騰和冒泡現(xiàn)象。
文檔編號H01M10/04GK1228623SQ9812202
公開日1999年9月15日 申請日期1998年11月24日 優(yōu)先權日1998年11月24日
發(fā)明者蘇永貴 申請人:蘇永貴