潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池

摘要

本发明提出一种潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池。该电池采用了新的极板结构，解决了超大型电池极板的集流问题和极板电流合理分布问题。该电池采用新型的正负极板栅合金材料、正负极活性物质组合物和电解液的配方，使潜艇用铅酸蓄电池实现了高能量、密封和免维护。新型的潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池(10h率放电)重量比能量达到50Wh/kg，最大体积比能量达到162.3Wh/dm3。

说明书

技术领域：本发明提出一种潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池，属于新型能源领域。

背景技术：潜艇在现代化海军装备中起着非常重要的作用。潜艇按照动力源分为常规潜艇和核动力潜艇。常规潜艇的动力配置是大型柴油发动机和超大型铅酸蓄电池。核动力潜艇的动力配置是核动力装置，柴油发动机和备用铅酸蓄电池，应此铅酸蓄电池至今仍是潜艇的重要动力源。最近德国研制生产的212型配有燃料电池的常规动力潜艇轰动世界，实际上燃料电池仅是辅助电源，德制212型潜艇安装的燃料电池仅能提供300KW的动力，对于总功率为3000KW左右的潜艇，燃料电池仅能在水下潜伏时使用，在水下战斗时机动的动力仍然是由铅酸蓄电池所提供。主要原因是铅酸蓄电池性能稳定、可靠。虽然二次电池领域的新技术、新产品不断涌现，出现了镍-氢化物蓄电池、锂离子蓄电池、燃料电池。这些电池还不能取代潜艇应用的铅酸蓄电池，密封镍-氢化物电池在循环工作若干次后电池内压会升高很多，电池的完全性受到严重质疑。非密封镍-氢化物电池需要定期更换电解液(KOH)，在潜艇应用受到极大的限制。锂离子电池虽然具有优良的重量比能量，但锂离子电池的安全性将严重制约在潜艇上的应用。燃料电池具有其它电池无以伦比的优点，但H₂、O₂燃料电池的功率目前最大做到300KW，仅能作为潜艇的辅助电源。为此铅酸蓄电池在常规潜艇的统制地位还将维持下去。

然而普通铅酸蓄电池应用潜艇也存在着非常严重的缺陷，主要表现在：

1、电池重量比能量低：QT60S型潜艇用铅酸蓄电池10h率重量比能量仅为30Wh/kg；

2、体积大：具体表现为体积比能量仅为77Wh/dm³；

3、大电流放电性能差：2V10300Ah(10h率放电容量)的QT60S型普通铅酸蓄电池6000A放电时间仅为60分钟，放出10h率容量的58.2％；

4、充电时产生大量酸雾：电池在充电时产生的酸雾污染环境，暴露目标，对需要隐蔽性的潜艇，充电产生酸雾是非常不利的；

5、电池时常漏液爬酸：普通铅酸蓄电池为敞口设计，硫酸电解液的逸出是不可避免的。在大洋深度巡戈的潜艇，要冲破惊淘骇浪，巨大颠簸也是不可避免的。硫酸电解液的逸出不仅腐蚀潜艇设备还危害战士身体健康；

6、需要定期维护：由于电池在充电时产生大量的气体，造成大量水分解。为此战士就不得不定期为电池加入电解液，一艘潜艇在执行任务中携带大量的硫酸电解液，浪费人力不说，也是非常不安全的。

为此用密封免维护铅酸蓄电池取代普通铅酸蓄电池是潜艇用铅酸蓄电池的一个重要课题。

密封免维护铅酸蓄电池是普通铅酸蓄电池的更新换代产品，自上世纪八十年代密封免维护铅酸蓄电池工业化生产以来，二十多年间在通讯、电力、铁路、UPS等众多行业密封铅酸蓄电池以其优良的性能与普通铅酸蓄电池完全的互换性，逐步取代了普通铅酸蓄电池。而在潜艇用铅酸蓄电池至今仍然使用的是普通铅酸蓄电池。密封免维护铅酸蓄电池没能应用于潜艇的原因是多方面的，从电池技术而言，潜艇用的超大型电池，对密封铅酸蓄电池提出非常严格的要求，不仅要求铅酸蓄电池实现密封免维护，还要实现高的比能量。超大型密封铅酸蓄电池的正负极板栅材料，板栅的电流分布，极板的集流，正负极活性物质与正负极板栅的结合，尤为重要的是超大型电池板栅、极板的电动势分布，电流分布，都严重影响密封免维护铅酸蓄电池的性能。为此发明一种应用于潜艇的高能量密封免维护铅酸蓄电池是非常必要的。

发明内容：本发明提出一种潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池，其特征在于：

1、潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池采用阻燃ABS工程塑料；

2、潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池的隔板选用优质玻璃纤维隔膜；

3、潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池的正极板栅合金材料为：

100kg纯Pb(Pb含量＞99.994％)加入0.6kg～1.6kgSb，加入0.01kg～0.3kgAs，加入0.01kg～0.5kgAg，加入0.01kg～1.0kgSn，加入0.01kg～0.5kgCu，加入0.01～0.1kgAl，加入0.01kg～0.1kgSe；

将上述成份的合金材料在熔铅炉中加热到480～520℃的高温熔化搅拌均匀，浇铸于正极板栅模具中，制成正极板栅；

4、潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池正极活性物质组合物为：

每百公斤氧化度为76％～78％的铅粉加入密度为1.08g/cm³～1.25g/cm³的硫酸溶液12升，加入300目异性石墨0.2kg～0.3kg，加入迪尼尔0.15kg～0.2kg，加入600目Al₂O₃0.1kg～0.2kg，加入600目ZrO₂0.15kg～0.2kg，加入300目金属铅粉0.2kg～0.3kg，用纯水调至铅膏视比重为4.2g/cm³～4.3g/cm³，静置后涂在正极板栅上。该极板结构克服了超大型极板集流效果差，极板效率低的缺陷，使组装的超大型密封铅酸蓄电池容量大为提高；

5、潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池负极板栅合金材料为：

100kg纯Pb(Pb含量＞99.994％)加入0.06kg～0.12kgCa，加入0.01kg～0.08kgAl，加入0.01kg～0.08kgCu，加入0.01kg～1.2kgSn，加入0.01kg～0.5kgBi，加入0.01kg～0.02kgIn；

将上述成份的合金材料在熔铅炉中加热到480～520℃的高温熔化搅拌均匀，浇铸于负极板栅模具中，制成负极板栅；

6、潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池负极活性物质组合物为：

每百公斤氧化度为75％～78％的铅粉加入密度为1.08g/cm³～1.25g/cm³硫酸溶液12升，加入α、β萘酸0.2kg～0.3kg，加入BaSO₄0.2kg～0.4kg，加入300目异性石墨0.25kg～0.3kg，加入晴纶短纤维0.2kg～0.3kg，加入CdSO₄0.1kg～0.3kg，加入600目ZrO₂0.1kg～0.3kg，加入腐植酸0.2kg～0.3kg，用纯水调至铅膏视比重为4.2g/cm³～4.25g/cm³，静置后涂在负极板栅上。该极板结构克服了超大型极板集流效果差，极板效率低的缺陷，使组装的超大型密封铅酸蓄电池容量大为提高；

7、潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池电解液配方为：

100kg比重为1.29g/cm³～1.295g/cm³的硫酸溶液，加入0.1kg～2.0kg的羟基磷酸钠，加入0.1kg～2.0kgCdSO₄，加入0.1kg～1.0kgNa₂SO₄，将电解液注入电池后，用粘合剂将电池上盖粘合即可；

为使极板获得合理的电流分布，提高极板的集流效果，将高度为H的极板分成若干段，H₁、H₂、H₃……，如图1、图2所示。一般情况下H₁、H₂、H₃……的高度为200～300mm，在这样尺寸的高度条件下，极板的电动势、电流分布比较合理，极板的集流效果也很好，将H₁、H₂、H₃……用类似于普通极板极耳的结构连接起来，组成大型极板高度H。即满足了超大型高能量密封铅酸蓄电池对极板的高度要求，又得到了良好的集流效果，极板的效率大为提高，从而提高了超大型高能量密封铅酸蓄电池的容量。

附图说明：

附图1是潜艇用高能量密封铅酸蓄电池板栅示意图。图中(1)为板栅高度H，(2)为将超大型板栅沿高度H，分成若干部分，即H₁、H₂、H₃……。H₁、H₂、H₃……的高度在200mm～300mm之间，(3)为H₁与H₂、H₃……的连接采用板栅极耳的型式，极耳宽度为15mm～20mm，(4)连接部分的高度为σ＝8mm～10mm，(5)为板栅宽度为B，(6)为整体板栅的极耳，宽度为D＝20mm～30mm，高度为30mm～40mm；

附图2是潜艇用高能量密封铅酸蓄电池填涂活性物质的板栅示意图。图中(1)为板栅高度H，(2)为将超大型板栅沿高度H，分成若干部分，即H₁、H₂、H₃……。H₁、H₂、H₃……的高度在200mm～300mm之间，(3)为H₁与H₂、H₃……的连接采用板栅极耳的型式，极耳宽度为15mm～20mm，(4)连接部分的高度为σ＝8mm～10mm，(5)为板栅宽度为B，(6)为整体板栅的极耳，宽度为D＝20mm～30mm，高度为30mm～40mm；(7)为在板栅上填涂的活性物质，H₁、H₂、H₃……的连接部分σ处不填涂活性物质；

附图3是潜艇用高能量密封铅酸蓄电池板栅示意图。图中(1)为板栅高度为880mm，(2)为将板栅高度为880mm分成4段，H₁＝H₂＝H₃＝H₄＝217mm，(3)为H₁与H₂、H₃、H₄连接处高度为σ＝8mm，(4)为板栅极耳型式的连接部分的极耳宽20mm，(5)为板栅宽度为610mm，(6)为整体板栅极耳，极耳高为30mm，宽为30mm；

附图4是潜艇用高能量密封铅酸蓄电池填涂活性物质的板栅示意图。图中(1)为板栅高度为880mm，(2)为将板栅高度为880mm分成4段，H₁＝H₂＝H₃＝H₄＝217mm，(3)为H₁与H₂、H₃、H₄连接处高度为σ＝8mm，(4)为板栅极耳型式的连接部分的极耳宽20mm，(5)为板栅宽度为610mm，(6)为整体板栅极耳，极耳高为30mm，宽为30mm，(7)为H₁、H₂、H₃、H₄部分填涂活性物质，在连接部分σ处不填涂活性物质；

具体实施方式：

实施例：

生产QT60S型潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池：

1、外壳选用ABS工程塑料，阻燃系数＞28，外壳尺寸为：636mm×366mm×1095mm，外壳上壳及气室尺寸为：638mm×366mm×110mm，外壳下底部分尺寸为：638mm×366mm×985mm；

2、设计成密封铅酸蓄电池的极板尺寸为880mm×610mm×σ(极板厚度)。880mm高的极板其集流效果很差，为此将H＝880mm分成4段，H₁＝H₂＝H₃＝H₄＝217mm，σ＝8mm，如图3、图4所示；

3、电池隔板选用含硼超级玻璃纤维隔膜；

4、电池正极板栅尺寸为：880mm×610mm×4mm。正极板栅合金成份为：100kg纯Pb(Pb含量＞99.994％)+0.8kgSb+0.15kgAs+0.03kgAg+0.8kgSn+0.02kgCu+0.03kgAl+0.08kgSe，将上述合金在熔铅炉中加热至480-520℃保温30分钟，搅拌均匀后浇铸于正极板栅模具；

5、正极活性物质组合物为：100kg铅粉(铅粉氧化度为78％，视比重为1.42g/cm³)，加入密度为1.20g/cm³的硫酸溶液12L，加入300目异性石墨0.22kg，加入迪尼尔0.2kg，加入600目Al₂O₃0.12kg，加入600目ZrO₂0.15kg，加入300目金属铅粉0.2kg，用纯水调至铅膏视比重为4.26g/cm³，搅拌均匀后，静置3小时，涂在正极板栅上，要严格控制上膏量，每片上膏量误差±0.5％，填涂后的正极极板经过固化、化成成为可组装电池的熟极板；

6、负极板栅尺寸为880mm×610mm×2.gmm。负极板栅合金的配方为：100kg纯Pb(Pb含量＞99.994％)+0.1kgCa+0.02kgAl+0.02kgCu+1.1kgSn+0.15kgBi+0.02kgIn，在熔铅炉中加热至500℃～510℃保温30分钟，浇铸于负极板栅模具中，制成负极板栅。在干燥的条件下存放24h即可用于涂板；

7、负极活性物质配方为：100kg铅粉(铅粉氧化度为76％，视比重为1.42g/cm³)，加入密度为1.25g/cm³的硫酸溶液12L，加入α、β萘酸0.22kg，加入BaSO₄0.25kg，加入300目异性石墨0.3kg，加入晴纶短纤维0.3kg，加入CdSO₄0.25kg，加入600目ZrO₂0.1kg，加入腐植酸0.3kg，用纯水调至铅膏视比重为4.2g/cm³，充分搅拌均匀后涂于负极板栅，经过固化、化成后制成负极极板；

8、电池的组装为保持电池具有良好的密封性，采用负极板多于正极板的组合方式，正负极板中间隔膜厚度为0.8×3mm。装配压缩比8～10％。电解液的组份为：密度为1.295g/cm³的100kg硫酸溶液中加入1.0kg羟基磷酸钠，加入0.5kgCdSO₄，加入0.3kgNa₂SO₄；

正负极板按照常规装配方式组装成电池，注入电解液即可。用上述方式生产的潜艇用高能量密封免维护铅酸蓄电池的10h率放电重量比能量达到50Wh/kg，6000A放电时间达到2小时以上，比标准要求提高100％。