CN100449821C - 可充电的电化学单元 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池单元，包含一个或多个电极对(6)。其中第一电极包含柔性的电绝缘和离子传导的包含有柔性传导基板(1)的封装(5)。所述柔性导体(1)可由插入粒状或粉状的活性材料(2)中的编织或栅格形导电材料制成。第二电极也是柔性的包含有插入在电化学性互补的活性材料内的导电体(1)的电绝缘封装(5)。该单元还包括将压力加到电极、隔膜分隔器和反向电极的装配组件上的装置(4)，以使电极活性材料的每个颗粒、分隔器和导体(基板)之间保持恒定的接触。两个电极中的一个或两个可通过烧结、冲压、粘接或结晶浆体的形式产生。

Description

可充电的电化学单元
技术领域
本发明涉及用于蓄电池、燃料电池和电解装置的基于特殊织物形式的超轻、超传导性的绝缘材料的柔性结构。这种结构能承受高达50000g加速度的非常重的过载(特征重量)。因而使用这种柔性结构的蓄电池可以增加动力。单片电路设计中的绝缘及电池材料使用这种柔性结构也是如此。这种结构能够承受高达55000g的加速度，也即包括炮弹壳等的已知产品。铅酸蓄电池电极之间距离的大幅度减少(10-50倍)，可导致蓄电池中内部阻抗(蓄电池内阻的主要部分)下降，进而形成一种具有高的电效率的元件。所使用的活性材料可以实现深度充放电循环，是半刚性电极的两倍，还可实现蓄电池多路循环工作的能力。特殊的电极材料层允许使用适于多周期电池的带有树枝状结晶问题的电极对材料。本发明也适合于视重量和成本为重要因素的铅酸或银锌蓄电池、燃料电池和电解装置。
背景技术
在蓄电池、燃料电池和电解装置中，由于使用了例如铅、银、锌、铂等重金属电极，所以出现了重量比重特别大的问题。这些金属的密度极高而机械强度极低。因活性材料也是电极结构的一部分，所以放电深度受到电极强度的限制。
这些金属还具有大的活性表面面积。在特定电极(例如孔隙电极、浆体或粉末电极)中具有一定的表面面积是有好处的，并且，有催化板或无催化板均可使用。
有些电极对，例如锌-银电极对，也有树枝状结晶问题。结果，树枝状结晶引起的短路限制了可充电电池在有效期内的循环次数。
本发明的目的是使蓄电池、燃料电池和电解装置电极的重量减少、强度增强。美国专利4894355中描述了一种使用碳纸的结构，该专利建议通过切割由碳纸/聚四氟乙烯组分组成的纤维来减少活性表面积。在此情形下，结构的主要负载采用了碳载体材料-纸，而导电性参数确定了电极的厚度和跨度。
发明内容
本发明的一个目的，是在一个单位中将导电或绝缘参数与高强度/低重量比率进行结合。活性材料和/或催化材料可用于平板(催化燃料电池或电解装置)或脆性形式(蓄电池)中。脆性材料能够更好地利用化学活性材料而不会减弱电极的结构。由于利用外部或内部的弹簧或类弹簧元件和/或利用电池的外部壳体，使得晶粒间接触得以加强，因而增加了电极的效率。本发明使这些参数一体化，从而降低了单位放电能量的重量。
按照本发明，电池单元包含外部或内部的柔性封装或扁平层，在该扁平层中，有一个扁平的电传导的柔性导线或纤维栅格嵌在活性材料粒状或粉末粒子的母板内。还提出了另一封装，它包含电传导的导线或纤维栅格，其中定位设有互补的活性金属或化合物的粒子或颗粒。封装间用可渗透适当电解液离子的绝缘膜分隔。从每个电池单元还引出有导线。还设有柔性机械弹簧或电解液膨胀元件，用于提供消解由单元中化学反应产生的电极容积的变化所需的压力。
可将活性材料设置在膜腔内或膜层之间。活性材料颗粒可以通过焊接盖体定位成分离的单位。
本发明提供了用于将压力施加到组装单元外表面的装置，以保证粒状或粉末颗粒之间以及颗粒与电极之间在充放电的时能紧密接触。即使在反应期间活性材料的体积有明显变化，这种接触也能保持不变。
可使用各种金属或化合物对，例如银-锌(Ag/Zn)、铅-氧化铅(Pb/PbO)等。
电极可制作成被卷为螺旋结构形式的长度带。在这种结构中，其优点是提供了将压力施加于电极外部表面的弹簧或类弹簧装置以及将电池单元制作成圆柱体形式。
弹簧或类弹簧元件可以是包含在电池中或与膨胀分隔器关联的全分离元件。还可以将可电池单元的弹性壁用作弹簧元件。分离弹簧元件最适用于单元壁高度有限的扁平电池。当电池为正方体或至少为矩形时，其电池侧壁最适于用作弹簧元件。弹性的外圆柱容器可用作螺旋电极电池的弹簧元件。
活性材料的粉末或粒子最好在5-10微米范围，虽然其他尺寸也可用。
所述栅格板可用金属网制成，例如银(对于Ag-Zn电极)。对相应的阴极或阳极活性材料，均可用网状金属箔制成。导电纤维厚度一般大约为10μ-500μ，最好为100μ。所述导电纤维可以用碳纤维编织成。所述导电纤维的表面可涂覆适合的金属层，确切的金属取决于电池内电化学反应对的特性和电池工作的环境。
对多单元电池的情况，导电线可与非导电纤维结合使用。在这种导电纤维中，可以使用多个并行碳纤维与凯芙拉、尼龙、聚酯等纤维交织。该结构中每个碳纤维构成一个电极。显然，碳纤维必须被连接，并提供一导线用于输出电流。
基于同样概念的本发明的变形包括燃料电池，其中，每个隔膜包包含有最好附着于适当支撑件上的催化剂粒子。所述催化剂可以是涂覆有活性材料例如Ni、Pt或Cd的陶瓷颗粒。合适的酸可用作燃料电池的催化剂，使氧和氢反应形成水并产生电流。为便于电流提取，设置有适当的电极连接。在燃料电池的情形下，无须对电池施加外部压力。催化剂可直接镀在碳纤维上以增加活性表面面积。
由于电化学电池元件很薄，重量对输出功率的比率得到改善。因为电池单元的主要元件是导电纤维、粒状活性材料、合适的隔膜和电解液，因而所述电池可承受极大的加速和减速而不会对电池性能产生不利影响。
根据本发明，电极、连接元件及电池壁由高强度的导电或绝缘纤维/织物、催化剂和平板或纤维或类似形式的活性材料制造而成。碳纤维可用作电极的导体部分，而尼龙、聚酯、凯芙拉(Kevlar)或玻璃纤维可以用作电极的绝缘部分。绝缘材料的确定取决于所选的电解液。
根据电化学原理本发明可使用不同的结构设计。各部件的设计需保证获得稳定的电接触，使活性材料纤维导电。同样，在活性材料和电流输入输出元件之间应有良好的接触。
本发明的电化学电池单元合适的结构可包括：
1、电极、绝缘元件、弹簧和外部电池壳体，各个独立的部件组装成一个单元。
2、电极和绝缘元件在一个单元中。另外还包括按照导电性与绝缘性组合，或导电性、绝缘性和活性材料的组合的需要编织的一张织物。
使用上述第一种结构可实现不同电解质原理的蓄电池结构。
其中，某些参数为如下规格：10μ的纤维厚度，0.55的织物厚度，每平方厘米电极几何面积有31.5平方厘米的电极特殊面积。这就无须任何特殊表面处理来增加微表面。
在此情形下，每单位重量的有效面积为1875cm2/g，大约比固体表面大1100倍。
附加的规格说明包括：每跨度距离的横断面0.0157cm2/cm，电阻率0.4-0.5欧姆*毫米2，对168g/m2的纤维密度许可应力为50kg/mm2，即最大损坏长度30km。作为比较，铅有0.122km，锌有0.63km，铜有2.263km。因此，对同样长度的电极，涂层石墨纤维电极能够承担比铜电极大15倍、比铅电极大300倍的加速。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1是带有Zn-ZnO、Zn-AgO或Ag-ZnO浆体型阳极的Zn-空气或Zn-Ag型蓄电池的断面结构视图；
图2是Zn-空气型蓄电池的断面结构视图或带有Zn-ZnO、Zn-AgO或Ag-ZnO浆体型阳极的Zn-Ag对；
图3是螺旋形电极对的断面结构视图；
图4是电池单元间并行或串行连接的示意图；
图5是多单元电池一张特定织物的结构的示意图；
图6是由一张特定织物件制成的多电极和多电池单元的示意图。
具体实施方式
如图1所示为具有中心同轴偏移的导电织物的电池实例的截面视图。
电极导电元件11(阴极或阳极)是碳纤维编织的织物。在这种情况下，该纤维无须特殊处理以增加其微表面。
电极外壳15内，平面导电织物11插入电绝缘包13内，导电织物11的两侧填满了锌、铅、或氧化银浆体12。
电绝缘包13和两层浆体12被弹簧14压紧在一起，入口位于分离绝缘包13内，该绝缘包13由电解液可浸透绝缘织物制成，代表蓄能元件。
现在参考图2，图2是织物电池单元的截面示意图。电极导电元件(阴极或阳极)用碳纤维编织而成。同样的，该纤维也无须特殊处理增加其表面积。
电极导电元件(电极包)21由锌、铅、或氧化银浆体22制成。
电极包21可设置有网格或斜纹缝线27以防止浆体粉末凝结成块。这有助于确保浆体粉末均匀的分布在电极表面。该电极包21和两个入口位于由电解液可浸透的绝缘织物制成的分离绝缘腔23内。
该绝缘腔可改变并分割成多张织物，每张织物均可从一对电极的侧边缝成电极包。缝纫线可由绝缘材料制成。
一对这样的绝缘电极(阴极和阳极)有一个差别：浆体22的浓度。在蓄能器结构中，电极对和电极对组可用不同形式的弹簧件28加压固定。这节省了浆体和导电织物之间以及分离的浆体原子核之间的电接触所需的压力(大约0.5kg/cm2)。但是，该压力供应要求结构上的整体性。
电极对位于公共外壳24内，并构成单个电池单元。外壳24可以用例如聚乙烯、聚丙稀、聚氨基甲聚酯或PVC的柔性或刚性塑料制成。该材料可用玻璃、聚酯、凯芙拉等纤维进行增强。所有元件可通过位置25处热焊接连接成单个电池单元。自由电极终端26可用作电池的电连接。
电极的形状和在电池单元中的位置可以不同。在各种选择中，可以使用调整放置的平板电极或同轴结构的圆形电极。电解液可存储在外壳24内或通过特定焊管定期添加。
图3是螺旋形电极的断面视图。将一对如图1或2所示结构的柔性电极31和32卷成螺旋状并插在弹性套管33内，后者用作弹簧元件以保证适当的接触压力(0.2kg/cm2)。带弹簧元件的螺旋卷被插在外壳34内。在有些实施例中，膨胀分离器和外壳也可用作弹簧元件。
图4示出电池单元41和42之间与其它串行或并行的电池单元的连接43。有些连接的电极包可由单件导电织物制成。在此情形下，所有传统的连接部件被去除了，减少了蓄能器的重量和复杂性，增加了可靠性。
图5示出单件的多电极结构，该多电极结构由具有可调整导电性的特定纤维化合物和绝缘纤维或纤维组组成，用作电极绝缘或连接元件。这种调整对横向和纵向、对不同蓄能器结构或由于编织问题可以是不同的。
该单件多电极结构53包括导电纤维制成的电极51的导电部分和绝缘纤维制成的绝缘部分52。织物的导电部分也可结合交叉导电线条纹带一起使用，连接电极部件。
为使电极部件与连接带之间有更好的连接，该连接可先置平再焊接。
导电部分的调整并不确定哪种电极(阴极或阳极)可连接，以及使用串联或并联哪种连接类型。
这些参数可按照普通电池设计那样选择，其中，一个单件多电极织物是适合不同结构和配置的蓄能器、燃料电池或电解槽的通用元件。
织物的一面上涂覆PVC、聚乙烯、聚丙稀、聚氨基甲聚酯以便与该结构的其它层、外壳焊接。在此情形下，必须先对导电纤维进行处理以便能够粘接涂覆材料。
图6示出一种可用多电极单件织物实现的结构。这种结构是各个电池单元串行连接的浆体电极蓄能器的一个实例。该结构由被电解液可浸透的织物62分隔开的两个单件多电极电池单元61组成，该织物62可与电极结构件分开缝纫或焊接。
如果使用流动的电解液系统并能渗透到外部空间，焊接缝线位置可为分开的具有入口和出口的电池单元结构提供绝缘。
实例
实例#1
电池外形        扁平
电池活性材料    银-锌
电池单元数      2
电池电压          3伏
电池容量          5Ah
电池外壳厚度      5.4mm
电池外壳面积      18.5cm2
电极颗粒直径      0.005-0.01mm
银电极厚度        0.8mm
锌电极厚度        0.92mm
银重量            19.45g
锌重量            11.78g
活性材料总重量    31.23g
导电材料总重量    1.90g
绝缘材料总重量    1.64g
电解液KOH总重量   21.4g
附件重量          37.1g
电池总重量        88.77g
实例#2
电池外形          扁平
电池活性材料      银-锌
每个电池的单元数  16
电池电压          24伏
电池容量          100Ah
电池外壳厚度    200mm
电池外壳面积    200cm2
电极颗粒直径    0.005-0.01mm
银电极厚度      0.8mm
锌电极厚度      0.92mm
银重量          3169g
氧化锌重量      2023g
活性材料总重量  5192g
导电材料总重量  93.5g
绝缘材料总重量  215g
电解液KOH总重量 2545g
附件重量        765g
电池总重量      8810g
实例#3
电池外形        扁平
电池活性材料    铅
电池单元数      6
电池电压        12伏
电池容量        60Ah
电池外壳厚度    150mm
电池外壳面积    120cm2
电极颗粒直径      0.005-0.01mm
阳极厚度          0.8mm
阴极厚度          0.92mm
铅重量            6300g
氧化锌重量        7100g
活性材料总重量    13400g
导电材料总重量    421g
绝缘材料总重量    85g
电解液、酸的重量  1110g
附件重量          521g
电池总重量        15452g
实例#4
电池外形          螺旋
电池活性材料      银-锌
电池单元数        1
电池电压          1.5-1.8伏
电池容量          15Ah
电池螺旋直径      30mm
电池螺旋高度      27mm
电极颗粒直径      0.01mm
银电极厚度        0.8mm
锌电极厚度        0.92mm
银重量            45.32g
锌重量            11.78g
活性材料总重量    57.1g
导电材料总重量    1.90g
绝缘材料总重量    1.64g
电解液KOH总重量   28.9g
附件重量          19.5g
电池总重量        109.04g

Claims (10)

1、一种可充电的电化学电池单元，其特征在于，包括封闭外壳，装在所述封闭外壳内浸在电解液里面的至少一对扁平电极，所述电极包括一个柔性导电基板和设置在所述基板两侧的活性材料颗粒，与所述电极连接将电流导出的导线；还包括可渗透电解液的传导离子的绝缘柔性扁平包，所述绝缘柔性扁平包用于包裹所述基板及所述活性材料颗粒，以及用于对所述电极施压以维持颗粒之间、颗粒与柔性导电基板之间电接触所需压力的装置，所述基板由柔性金属薄栅格制成或由碳纤维编织的织物制成。
2、如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述织物的厚度在10-100微米之间。
3、如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述活性材料颗粒从Ni/Cd、Ag/Zn和Pb/PbO组合中择一。
4、如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，每个电极的厚度在1-10毫米之间。
5、如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述颗粒的大小在1-10微米之间。
6、如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述施压装置包括位于电池单元外部或内部向所述电极施压的弹簧，所述电极为缠绕的螺旋状结构。
7、如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述基板由石墨纤维编织的织物制成，所述石墨纤维的表面涂有一层金属涂层，以便抑制气体逸出。
8、如权利要求7所述的电化学电池单元，其特征在于，所述金属涂层的厚度为5-15微米。
9、如权利要求7所述的电化学电池单元，其特征在于，所述电化学电池单元是银-锌可充电单元，其中，阴极基板纤维的涂层是镍或银，阳极基板纤维的涂层是锡、铟、镉或铅。
10、如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述外壳是弹性外壳，所述施压装置是所述弹性外壳，所述弹性外壳有维持适当压力所需弹性以确保所述电池单元的电接触。
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