宋永江，羅云峰

（常州優(yōu)特科新能源科技有限公司，江蘇 常州 213022）

0 前言

電池按結構可分為一次電池和二次電池，其中二次電池指的是可反復充放電的電池。二次電池中鉛酸蓄電池具有價格便宜、技術成熟、生產(chǎn)一致性好和比功率高等特點，一直是產(chǎn)量大且應用范圍廣的產(chǎn)品[1-2]。

鉛酸電池按結構的不同，能被制作成單極、雙極或水平雙極（準雙極）性電池。傳統(tǒng)的單極性鉛酸蓄電池具有比能量低（一般約 33~36 Wh/kg）、集流體板柵耗鉛量大、充電較慢、低溫性能較差等缺點。而雙極性與水平蓄電池的出現(xiàn)，大大彌補了鉛酸電池質量比能量低、充電速度慢的缺點，為鉛酸蓄電池作為電動車用動力電源提供了廣闊的發(fā)展前景[3]。尤其是雙極性蓄電池，具有用鉛量少、質量輕體積小、電池內(nèi)阻低、高電壓、耐大電流充放電、高比能量、使用壽命長等優(yōu)點，是未來電池汽車、混合動力車、輕型電動車、光伏儲能等的優(yōu)選動力電源。本文采用真空濺射工藝制造的雙極板及雙極性蓄電池，極大地降低了生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染，符合國家相關政策法規(guī)，且產(chǎn)品性能得以明顯提升，擁有廣闊的發(fā)展前景。

1 復合材料雙極板簡介

在雙極電池中，雙極板一方面要與正負極的活性物質緊密粘結，另一方面又要把相鄰的兩個電池正負極隔開。極板在酸性腐蝕環(huán)境下必須保持其導電性，并阻斷相鄰電池電解液連通，不得參與電池反應或為電池自放電提供回路。這些就要求雙極板基體必須是有導電性、不溶于硫酸、耐硫酸腐蝕、在電池的電位窗中保持穩(wěn)定且擁有較高的氫氧過電位，不參加電池反應，對電池活性物質有良好的吸附能力，還要易于加工和密封。

本文采用真空濺射金屬鉛工藝在復合材料導電基體上，通過真空濺射后獲得金屬濺射層。復合材料導電基體由一種或多種粒徑為納米級或納米至微米級的導電材料均勻分布在熱固性或熱塑性高分子聚合物中制得；金屬濺射層采用金屬真空磁控濺射技術處理，即將復合材料導電基體置入磁控濺射真空鍍膜機中，充入氬氣，并將氬氣電離，經(jīng)過電離后的氬離子在磁場作用下轟擊金屬（本文采用金屬鉛）靶材，使得金屬離子濺射沉積在復合導電基體表面上[4]，從而使復合材料導電基體表面覆蓋一層導電的金屬鉛，完成導電基體的金屬層濺射，最終得到復合材料雙極性蓄電池雙極板。

此種方法制作的雙極板，具有用鉛量少（降低 50%~75%）、質量輕、內(nèi)阻低、耐大電流充放電、使用壽命長等優(yōu)點，同時，由該種復合材料雙極板制作的雙極性蓄電池縮小了電池體積、提高了電池比能量，為雙極性蓄電池提供了廣闊的前景。

2 復合材料雙極板的真空濺射法制作工藝

2.1 雙極板導電基體制作

本文中的雙極板導電基體可以由模壓或注塑方法制備。模壓分預熱、預壓、熱壓、冷卻和脫模等步驟，均可在模具內(nèi)完成，熱固性或熱塑性高分子材料的預熱溫度為 100～180 ℃，預壓壓力為 0.1～10 MPa，熱壓溫度為 160～240 ℃，熱壓壓力為 5～20 MPa，熱壓時間為 10～1200 s，冷卻時間為10～1800 s，其中模具內(nèi)含脫模劑材料，包括一般的中性、油性、干性脫模劑，或噴涂石蠟、脫模硅膠、油性材料等。注塑制造方法包括混料、干燥、加熱熔融、注塑成型、脫模；混料干燥過程為熱固性或熱塑性高分子材料、導電劑經(jīng)過機械分散、超聲分散或球磨分散等混合均勻，在 100～200 ℃ 下干燥 4～6 h，然后將干燥后的混合物料擠壓至模具，在 160～240 ℃ 下高溫熔融，注塑擠壓成型，得到滿足要求的雙極板基體。圖1展示了復合材料雙極板導電基體的結構。

圖1 復合材料雙極電池基體結構示意圖（1-基體）

2.2 真空濺射處理

在復合材料雙極板導電基體的基礎上，采用金屬真空磁控濺射技術對其進行濺射鉛層的處理，即在金屬靶材的中間位置設置有平衡線圈，其與電源連接，線圈產(chǎn)生的磁場與外加磁場共同影響金屬的真空磁控濺射系統(tǒng)，完成基體的金屬層濺射。金屬靶材可以為金屬鉛靶材或鉛合金靶材（見圖2）。這種金屬真空磁控濺射技術具體要求是：工作壓強 10-5～10-7Pa，濺射室溫度 30～50 ℃，氬氣流量50～100 cm /min，工作電壓 100～300 V，工作電流 1～10 A，磁場強度 300～500 Gs，工作頻率 10～80 kHz，沉淀速率 0.1～1.0 um/min，濺射層厚度0.01～1.0 mm，循環(huán)冷卻水溫度 0～30 ℃，循環(huán)冷卻水水壓 0.1～0.5 MPa，工作環(huán)境 20～40 ℃，相對濕度 10%～90%。

2.3 復合材料雙極板成品

通過上述操作，使復合材料導電基體表面覆蓋一層導電的金屬鉛，完成導電基體的金屬層濺射，最終得到復合材料雙極性蓄電池所需要的雙極板（如圖3所示）。

圖3 復合材料雙極電池基體金屬真空磁控濺射效果示意圖（1-基體，2-金屬濺射層）

3 復合材料雙極電池實驗

因面積限制，雙極電池的單格容量不宜設計得過高，否則將造成雙極片涂膏過厚，限制容量的發(fā)揮，因此本文自制 24 V 10 Ah 雙極電池等效于市面上最常見的 12 V 20 Ah 傳統(tǒng)單極性電池，設計為容量 10 Ah 并以 1 片正極單片、1 片負極單片、11片雙極片組裝成 12 個單格，然后通過熱封邊得到24 V 雙極電池。主要過程如下：

①采用行業(yè)常見的配方和密度 1.4 g/cm3的硫酸溶液進行和膏，和膏最高溫度 60 ℃。正膏表觀密度 4.06 g/cm3，負膏表觀密度 3.95 g/cm3；

②涂膏：正極涂膏量 135 g±1 g，負極涂膏量110 g±1 g；

③固化/干燥：按公司內(nèi)部工藝執(zhí)行；

④組裝：將極片組裝成 24 V 10 Ah 的雙極電池，采用 AGM 隔膜，并熱封；

⑤加酸：加密度為 1.28 g/cm3的硫酸溶液；

⑥ 化成：以 10 Ah 容量按 3 充 2 放工藝進行內(nèi)化成；

⑦循環(huán)：按照國家標準 GB/T 22199-2008《電動助力車用密封鉛酸蓄電池》進行循環(huán)測試，失效后解剖分析。

從表1和圖4來看，本次實驗結果雙極電池在重量及比能量（高達 40 Wh/kg）方面有著較好的表現(xiàn)，并且在 290 次循環(huán)以前的容量保持率也優(yōu)于傳統(tǒng)電池，但在 300 次以后壽命急劇下降，最終在壽命方面反而略低于傳統(tǒng)電池，但也十分接近。

表1 雙極電池和傳統(tǒng)單極性電池對比

圖4 循環(huán)壽命對比圖（1-本實驗所自制的 24 V10 Ah 雙極電池，2-測試的某廠 6-DZM-20 型傳統(tǒng)電池）

由圖5、圖6可見，本次實驗的雙極電池極片在循環(huán)后結構穩(wěn)定，正極金屬濺射層在循環(huán)后仍然部分存在，而基體上的小格子設計又進一步將活性物質束縛在其內(nèi)，保證了電池的壽命?？梢?，以真空濺射制備雙極片是可行的，但如何進一步保證循環(huán)后期的穩(wěn)定性值得進一步研究。

圖5 涂膏并化成循環(huán)后的雙極片正極側（1-基體；2-金屬鉛濺射層；3-剝離的正極鉛膏）

圖6 涂膏并化成循環(huán)后的雙極片負極側（1-基體；2-涂覆的負極鉛膏）

4 小結

復合材料雙極性蓄電池雙極板采用金屬真空磁控濺射技術處理，即在復合材料導電基體表面均勻地濺射金屬鉛層，既能滿足鉛酸蓄電池正常的導電功能，同時因不需要采用鉛板柵，大大降低了金屬鉛用量（降低 50%～75%），且復合材料雙極板內(nèi)阻低、滿足大電流充放電，基體質量輕且電池體積變小，提高了鉛酸蓄電池比能量、延長了電池使用壽命，更大程度地滿足了用戶需求，為復合材料雙極性蓄電池提供了廣闊的市場前景。

[1] 張彥琴.鉛酸蓄電池技術的發(fā)展[J].汽車電器,2004(10): 1-3.

[2] 郭炳, 李新海, 楊松青.化學電源[M].長沙: 中南工業(yè)大學出版社, 2000.

[3] 閻智剛, 胡信國.雙極性密封鉛酸蓄電池[J].電源技術, 2000(3).

[4] 李云平.真空濺射制備柔性導電材料的工藝方法[P].中國專利: CN200410023269.8, 2005-12-07.