專利名稱：鉛鋅電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新穎類型的蓄電池，其因其獨特的電化學而著名。正電極包括二 氧化鉛且負電極包括鋅。電解液由堿金屬硫酸鹽的水溶液組成。可將包含碳酸鹽、硼酸鹽、 硅酸鹽和磷酸鹽的各種緩沖劑添加到電解液。在放電時，二氧化鉛被還原為二價鉛化合物， 且鋅被氧化為氧化鋅。
背景技術：
在幾乎每種交通工具中存在的最常見的蓄電池是鉛酸電池。此電池包括二氧化鉛 正電極、鉛金屬負電極以及用于電解液的硫酸。其主要優點是低成本。然而，其具有有限的 能量密度，且電解液具有極大腐蝕性。此外，在放電期間需要充足的酸來與電極反應。免維 護型避免了析出氣體的損失，如第3，862，861號美國專利中揭示，但其循環壽命仍受限制。對鉛酸電池的替代物的研究已在進行中。早在1934年，德拉姆(Drumm)揭示了氧 化鎳-鋅電池和氧化銀-鋅電池。(第1，955，115號美國專利)這兩種電池均采用鋅作為 負電極且采用苛性鉀作為電解液。氧化鎳或氧化銀用作正電極。這些電池具有改進的能量 密度且對于許多使用來說是良好的折衷。理想的蓄電池將組合現有電池的最佳特征而無所述缺陷中的任一者。對此電池的 需要對于后備電源系統且在移動應用中是顯然的。因此，本發明的目的是提供一種改進的 蓄電池，其經濟且高度有效。從以下描述和附圖中將認識到本發明的這些和其它目的、特征 和優點。
發明內容
從鉛正電極和鋅負電極制造蓄電池。在充電期間，一些鉛被轉換為二氧化鉛。在 放電時，二氧化鉛被還原為二價鉛化合物，更明確地說，硫酸鉛。鋅被氧化為氧化鋅。這些 反應是可逆的，以使得電池實現二次電池的兩個功能按需供應電力以及儲存或積累過剩 電力。電池的電解液是選自堿金屬硫酸鹽群組的鹽的水溶液。堿金屬包含鋰、鈉、鉀、銣 和銫。可使用這些金屬的任何組合。已發現某些添加劑是電解液中的有效緩沖劑。這些添加劑包含重碳酸鹽、碳酸鹽、 硼酸鹽、硅酸鹽和磷酸鹽。
本發明的實際實施例的電極可經配置為片、纖維或顆粒，進而最大化電極表面面 積。含碳材料的散布顆粒可用以改善導電性。可添加膠凝劑以固定電解液。在需要時，可 在正電極與負電極之間采用分隔物以防止短路。
圖1是根據本發明的鉛鋅電池的原型的再現，其說明電池的主要組件。
具體實施例方式鉛鋅電池的化學原理對理解其運行具有重要意義。正電極包括二氧化鉛，其在放 電期間被還原為二價硫酸鉛。負電極包括鋅，其在電池放電時被氧化為氧化鋅。電解液是 堿金屬硫酸鹽的水溶液。在堿金屬為鉀的特定情況下，放電期間的電極反應可由以下反應 式表不。正電極(l)Pb02+K2S04+2H20+2e — PbS04+K0H+20H負電極(2) Zn+20H — Zn0+H20+2e當組合這些反應式時，獲得電池的如下總反應(3) Pb02+Zn+K2S04 — PbS04+Zn0+2K0H在電池的再充電期間，反應逆轉。因此，硫酸鉛被氧化為二氧化鉛，且氧化鋅被還 原為鋅金屬。充電所需的電動勢由外部電源供應。放電-再充電循環可不停地重復，從而 實現蓄電池的功能。在設計新電池時尤其困難的挑戰是確定可進行電化學反應且仍能經受住電解液 腐蝕的電極材料。雖然這方面的理論有所幫助，但仍需要經驗數據來證明用于電極和電解 液兩者的材料的有效性。電池相對性能的一個量度是開路電壓。在對電解液的選擇中，本發明具有明顯優點。本發明不使用包括強堿(例如氫氧 化鉀)或強酸(例如硫酸)的電解液，而是采用鹽的水溶液。此電解液是良好的離子導體， 但在運行條件下相對溫和。其因此避免了困擾現有電池的電極腐蝕的問題。盡管本發明的電解液具有優良的性能，但需要較好地控制溶液的pH。在此情況下， 可將緩沖劑添加到電解液中。諸如碳酸鹽、硼酸鹽、硅酸鹽和磷酸鹽等化合物可有效用于此 應用。這些鹽具有與鉛和鋅形成不可溶化合物的額外益處。用于電解液中的堿金屬硫酸鹽的選擇受到某種關注。可使用堿金屬中的任一者的 硫酸鹽，包含鋰、鈉、鉀、銣和銫。在此系列中電負性從鋰到銫依次減小。此現象將影響鹽的 離子性質，且預期因此可影響電池的性能。用作電解液的硫酸鹽也可為四甲基硫酸銨。在選擇堿金屬時的另一考慮因素是其硫酸鹽的溶解度。舉例來說，硫酸鉀的溶解 度在0°c下是每100毫升水7. 35克，而硫酸鋰的溶解度在相同溫度下是35. 34克。較大的 溶解度有利于提高電池的緊湊性。本發明的鉛鋅電池的配置不受限制。然而，從如圖1所示的原型圖中可了解其與 眾不同的特征。剖視圖展示布置為平坦平行板的電極。鉛正電極1和鋅負電極2由隔板3 隔開。這些部分浸沒在電解液4中，電解液4包含在殼體5中。此剖面圖還展示附接到電極的電引線。實例(1)用2. 5英寸直徑x4英寸高的玻璃罐制作電池。塑料間隔物將電極隔開。正電 極是寬1.5英寸高4英寸的鉛條帶。負電極是寬1.5英寸高4英寸高的鋅條帶。電解液是 通過在200毫升水中溶解44. 1克的至少99. 0%的硫酸鈉而制備。在以3. 0伏對電池充電 25分鐘之后，觀察到2. 75伏的開路電壓。通過含有閃光燈泡的回路使電池放電，產生95毫 安的電流。(2)采用如實例(1)中使用的相同電池。在此操作中，通過在200毫升水中溶解 45. 1克的至少99. 0%的硫酸鋰一水合物而配制電解液。在以3. 0伏對電池充電25分鐘之 后獲得2. 72伏的開路電壓。電池通過與實例(1)中使用的電路相同的電路產生92毫安的 電流。(3)此實驗中使用的電池是從1.75英寸直徑x4英寸高的玻璃罐組合的，其具有 塑料間隔物以保持電極分離。電極與實例1和2中使用的那些電極相同。電解液由在100 毫升水中溶解的15. 6克的99. 9%硫酸銫組成。在以3. 2伏對電池充電11分鐘之后，實現 2. 55伏的開路電壓。通過與之前相同的回路，由電池產生的最大電流是80毫安。在實例 1、2和3中描述的全部三遍結束時，電極處于優異條件，其不展示腐蝕跡象。雖然已結合特定實施例描述了本發明，但應了解，本發明不應限于所揭示的實施 例，而是相反，既定涵蓋所附權利要求書的精神和范圍內包含的各種修改和等效布置，所述 范圍應被賦予最廣義的解釋，以便涵蓋根據法律許可的所有此類修改和等效結構。
權利要求
1.一種蓄電池，其包括a.鉛正電極；b.鋅負電極；以及c.電解液，其包括選自堿金屬硫酸鹽群組的鹽的水溶液。
2.根據權利要求1所述的蓄電池，其中所述堿金屬是鋰。
3.根據權利要求1所述的蓄電池，其中所述堿金屬是鈉。
4.根據權利要求1所述的蓄電池，其中所述堿金屬是鉀。
5.根據權利要求1所述的蓄電池，其中所述堿金屬是銣。
6.根據權利要求1所述的蓄電池，其中所述堿金屬是銫。
7.根據權利要求1所述的蓄電池，其中所述堿金屬是四甲基銨。
全文摘要
本發明涉及鉛鋅電池。本發明提供一種可再充電電池，使得正電極包括鉛，負電極包括鋅，且電解液為堿金屬硫酸鹽的水溶液。在放電時，二氧化鉛被還原為硫酸鉛且鋅被氧化為氧化鋅。在對所述電池充電時，反應逆轉。
文檔編號H01M10/26GK102055026SQ20101015974
公開日2011年5月11日 申請日期2010年4月27日 優先權日2009年10月29日
發明者約翰·E·斯托弗 申請人:約翰·E·斯托弗