在高性价比的化学电源中,诞生了150多年的铅酸蓄电池,在目前的应用中占据优势地位。但随着全球工业化进程的加快,用户和环境也对于铅酸蓄电池的性能寄予了更多的期望(例如高能量密度、高可靠性、快速充电接受性能、高率放电性能、节能低碳、更低总拥有成本等),而传统型的铅酸蓄电池技术已经逐渐在这些新的技术期待面前捉襟见肘;此外,传统的铅酸蓄电池在制造之初,为了便于加工及提高机械强度,不得不在板栅中加入其它金属形成合金结构,但是合金形成后,一方面固然增加了加工的便利性。但另一方面也导致电池极板在使用过程中腐蚀加快、电池的自放电率增大、使用过程中失水较快、内阻变大等问题。基于以上需求和问题,不添加任何合金的纯铅薄极板(Thin Plate Pure Lead,TPPL)技术应运而生。
纯铅薄极板电池最初由美国Gates公司研发成功并申报了专利保护,最早的研发方向是应用于航空设备电源系统的卷绕式圆柱形电池,由于高纯度的金属铅板栅(纯度约99.99%)较软,制造工艺难度非常大,该技术并未得到大面积推广。由于纯铅技术的显著优势,后来部分国外厂家投入大量的精力,结合蓄电池领域应用工况,进行了长时间的研发试制,同时也优化了纯铅薄极板的电化学体系、提高充放电接受能力,通过特殊的生产工艺及采用全自动化的工装机器人生产出适宜于工业领域应用的板式(Plate)纯铅薄极板电池并成功的将其进行商业化。
TPPL技术作为化学电源中的新型技术,它既不同于传统型铅酸蓄电池的胶体(Gel)技术,也不完全等同于普通型铅酸蓄电池的AGM(AbsorbedGlassMat)技术;纯铅薄极板技术从电池的基本材料(包括外壳)、结构设计、电化学性能、制造工艺及质量控制都与传统产品有着极大的差别,体现了化学电源技术发展的最高水平。
1 纯铅薄极板技术的优势
(1) 纯铅板栅
纯铅板栅通常采用高纯度的原生态铅再提纯后经碾压、冲压制成正负极板栅铅带,与传统的重力浇铸型铅钙锡合金板栅不同,纯铅板栅的晶格更为致密,即便在高温环境之下也更耐腐蚀(见图1);同时相比于合金板栅,其析氢过电位更高,更有效地减少蓄电池在充电过程中电解失水。
(2) 超薄型极板
相对于传统的铅钙合金电池极板,纯铅薄极板电池极板厚度仅有1mm左右(见表1),在同等的空间内可以放入更多的极板,提高了极板反应接触总面积(如图2),从而使得纯铅电池在快速充电和高功率放电时性能表现极其优异。
(3) 极板预防短路设计
由于纯铅薄极板电池极板非常薄,加之纯度高,极板本身较软,容易变形;纯铅薄极板采用了特殊结构设计,极板表面增加耐酸、耐热的防短路防脱落材料,一方面保证电解液中荷电离子的移动,另一方面有效避免了超薄型极板容易变形导致短路、充填进板栅的活性物质因大电流负载下崩脱等故障。