CN102272978A - 双极电池组件 - Google Patents

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Abstract

一种双极电池构造公开为包括基片(16)、基片中的开口(26)、位于开口中的导电材料(32)、位于基片的相反侧上的负极和正极集电箔片(34，36)以及负极和正极粘贴框架元件(18，20)。导电材料可具有低于基片热降解温度的熔点。

Description

双极电池组件
优先权声明
本申请要求2009年1月21日申请的美国临时申请序列号No.61/146,270的申请日的权益，该申请的全部内容特别地通过参考结合于此。
技术领域
这里所公开和示出的发明总体上涉及电池，并且更具体地涉及双极铅酸电池设备。
背景技术
虽然替代电池材料已经有了相当的研究和发展，但是铅酸电池仍然是很多需要可更换电池能量的运行的最常见选择，尤其是在寻求高电流容量时。常规铅酸电池常见的是多单元结构，其中每个单元包括一组由包含一层或多层电化学活性膏或活性材料的铅或铅合金栅格所形成的交叉型单极正极和负极板。正极和负极板通常共享其间的共用隔板以防止短路。
正极电极板上的膏通常将包括提供二氧化铅(PbO2)的材料，其在充电时能用作正极活性材料。负极板包含负极活性材料，比如海绵铅。酸性电解液比如硫酸插入在正极和负极板之间。
传统的铅酸电池在构造板时使用重金属铅。从而，随着电能需求增大(因而增大所需板的数目)，电池变得极重，使得其不适合用于减重很关键的场合中，比如飞行器、电动汽车和车辆领域。为了解决与使用重铅板相关的重量问题的努力中，已经从重量较轻的材料开发了较薄的板，用于代替铅和与铅组合。较薄轻质板的使用产生了增大板数目从而提高铅酸电池功率密度的机会。然而，常规电池性能可提高的程度是有限的，因为其功率和能量密度受到其构造的限制。
为了克服常规铅酸电池的这些构造限制，已经开发了相比单极电池技术而言提供提高潜能的双极电池。与常规铅酸电池构造不同，双极电池构造包括一组电极板都包含在一侧上的负极活性材料和在另一侧上的正极活性材料的电极板，从此使用词语“双极”和“双板”。双板一般以如此的方式连续地布置以使得一个板的正极侧指向相对板的负极侧。双极电池由通过相对极性的双板限定的分离电解单元构成。双板是导电的以在单元之间提供串联连接。
双板通常视为能提供相比常规单极电池而言提高的电流。提高的电流相信是从双板的一个极性至另一个极性的穿板电流传输的结果。也就是，在常规单极电池中，电流必须从一个电极板经由常见地为曲折的并且具有相对显著长度的导电路径行进至另一相对极性的电极板。双极电池显著缩短的单元间电流路径从而能降低电池的内部电阻，使得其在放电和充电运行模式下都比常规单极电池更有效率。于是，降低内部电阻的能力允许构造相比其等同单极电池而言较小且较轻的双极电池，使得其是用于对于尺寸、重量或这两个问题而言都非常重要的飞行器、军用和电动车辆工业中的高度期望的替代方案。
然而，双极电池并非没有其自身的困难和问题。第一个困难涉及电池内的热温度控制以及能控制电池内温度以产生优化电池运行效率的相关希望。另一相关问题涉及当电池在不希望的温度状况下运行时断开电流以有效地切断电池从而帮助避免潜在有害状况的希望。
而且，以前的双极电池构造一直使用通过麻烦的外部结构紧固的庞大端板来确保没有边缘密封断裂。这种双极电池通常是不可升级的，因为端板的厚度必须随着更大的双极板尺寸而增大以防止发生端部密封断裂和随后泄漏。于是，双极电池通常实际上限制于小容量以维持高的功率密度。
常见涉及双极电池设计的其他问题包括一直希望通过一个或多个用于增大能量产生、降低重量、降低总体构造尺寸、提高支撑内部压缩负载的构造设计、减少构造材料、或减少组配运行的变型来提高电池效率。
美国专利No.4,275,130公开了一种双极铅酸电池构造，其包括导电热塑性材料的双板、适合于承载活性材料的隔板、以及用于包含和维持活性材料和导电双板运行地组装和电气接触的装置。教导并没有显示为讨论解决温度问题的任何电池组件。
美国专利No.4,510,219公开了一种用于单极或双极电池中的铅酸电池板构造。这里所述的板包括具有氧化锡颗粒覆层的玻璃纤维片材。该专利的教导没有显示旨在解决电池温度问题。
美国专利No.4,658,499公开了一种包括嵌入在穿孔热塑性片材中的金属丸的双极金属板。所公开的热塑性材料描述为熔点低于作为优选金属丸材料的铅的熔点。然而，该专利的教导没有显示旨在解决电池温度问题。
美国专利No.5,585,209公开了一种包括钛芯表面作为防腐蚀手段的双极电池板。虽然优选材料描述为提高电池内的温度稳定性，但是该专利的教导没有显示旨在解决在电池内的温度超过预定阈值的情况下自动控制地关闭的问题。
美国专利No.5,593,797描述了一种具有改进电解液密封的双极电池电极。虽然公开了在电极芯部元件内使用呈纤维或丸形式的导电材料，该专利的教导同样没有显示旨在解决在电池内的温度超过预定阈值的情况下自动控制地关闭的问题。
美国专利公开No.2004/0072074公开了一种描述为基本上无孔隙的双极电池电极。电极还描述为包括与钛粉组合的未固化环氧树脂。在教导的其他缺点中，该专利的教导同样没有显示涉及温度控制特点。
于是，尽管现有技术中进行了努力，但是直到本教导，一直持续需要一种电池，更具体地铅酸电池，并且进一步地尤其是双极铅酸电池，其构造为使得在一个或多个以下方面提供相比常规双极电池技术的提高：温度控制；高温关闭；增大的能量产生；降低的重量，减小的总体构造尺寸，改进的构造设计以支撑内部压缩负载；减少的构造材料或减少的组配运行。
发明内容
本教导通过其各个方面能通过提供用于实现改进电池构造的方法和结构来满足上面需求中的一个或任何组合。并非限制性地，在本教导的各个方面之中，使得这种电池构造如此具有吸引力是因为增强的电池能通过采用独特的粘贴框架结构来实现，由此膏可应用于基片或在其中采用，其方式使得能在基片两侧获得适合的期望导电率，同时还保留适合于在满足预定温度状况的情况下关闭电池的装置，并且此外由此相邻板能适合地使用并且维持为彼此相对地间隔开，因此内部结构形成外部密封以使得无需另外的外部结构或设备来密封电池以防止泄漏。
因而，在一个方面，本教导预期一种制作双极电池组件的方法，包括步骤：提供基片、在基片中形成开口、用导电材料填充开口、用第一和第二集电片材以及第一和第二非导电粘贴框架元件覆盖基片。导电材料可以是一种混合物，其在低于基片热降解温度的温度下经受相变以使得在电池组件低于相变温度的操作温度下介电基片具有经由基片的第一表面和第二表面之间的材料混合物的导电路径。而且，在高于相变温度的温度下，导电材料混合物经受禁用经由导电路径导电的相变。
第一集电片材可覆盖基片并且可在电池的第一单元中在基片的第一表面上用作负极集电器。第二集电片材可在电池的第二单元中在基片的第二表面上用作正极集电器。第一集电片材和第二集电片材可布置为使得导电材料和基片被夹持于其间。
第一非导电性粘贴框架元件能以与基片的边缘平面接触的方式定位于第一集电片材上；并且第二非导电性粘贴框架元件能以与基片的边缘平面接触的方式定位于第二集电片材上。
基片可包括嵌入基片中的冷却通道。冷却通道可与基片的表面平行地延伸。而且，冷却通道可布置为不与基片中的开口交叉。冷却通道还可延伸穿过基片、粘贴框架元件和隔板框架以使得形成延伸穿过电池的冷却管道。粘贴框架元件可包括一个或多个支撑元件以减少电池部件内的边缘之间的有效距离。
还可包括一个或多个粘合剂层。粘合剂层可位于基片与正极和负极集电箔片的每个之间。粘合剂层还可位于正极和负极集电箔片的每个与其相应正极和负极非导电粘贴框架元件之间。
导电材料可具有如此的熔点以使得在电池经受高于该熔点的温度时，导电材料将不能填充所述多个开口。基片中任何未填充的开口会引起电池部件内的开路。基片中任何未填充的开口会引起电池部件内增大的电阻。基片中任何未填充的开口会引起电池故障。基片自身可具有足以经受导电材料可能发生的任何熔化的热扭变温度。
本教导的另一个方面预期用于双极电池层叠结构的独特结构，比如源自以上方法的结构。这种结构，无论是否源自以上方法，通常包括：第一隔离件框架/隔板框架；具有一个或多个边缘的负极粘贴框架元件以及在所述负极粘贴框架元件边缘延伸的支撑格栅结构；负极集电箔片；其中形成有多个开口的基片；正极集电箔片；具有一个或多个边缘的正极粘贴框架元件以及在所述正极粘贴框架元件边缘和第二隔板框架之间延伸的支撑格栅结构。
第一隔板框架可包括一个或多个边缘。负极粘贴框架元件可具有一个或多个边缘以使得负极粘贴框架元件的至少一个边缘与隔板框架的至少一个边缘平面接触。基片也可具有一个或多个边缘以使得基片的至少一个边缘与负极粘贴框架元件的至少一个边缘平面接触。正极粘贴框架元件可具有一个或多个边缘以使得正极粘贴框架元件的至少一个边缘与基片的至少一个边缘平面接触。第二隔板框架可具有一个或多个边缘以使得隔板框架的至少一个边缘与正极粘贴框架元件的至少一个边缘平面接触。隔板框架、负极和正极粘贴框架元件以及基片的边缘的平面接触在电池上形成外部密封以使得导入其中的电解液将不会从电池内泄漏。粘贴框架元件的边缘还可包括开口，用于接收定位于隔板框架的边缘上的对准销或支撑元件。对准销定位入粘贴框架元件上的开口中还可便于外部密封的形成。
附图说明
双极电池构造的上述和其他特点在本发明的以下详细描述中阐明，这个描述参照以下标明的附图给出。
图1是根据本教导构造的双极电池的透视图。
图2是根据本教导构造的电极板组件的横截图。
图3是用于制作根据本教导构造的电极板组件的基片的横截图。
图4是用来制作根据本教导构造的电极板组件的多个材料层的分解图。
图5是用来制作根据本教导构造的电极板组件的多个框架元件的分解图。
图6是用来制作根据本教导构造的电极板组件的框架元件的平面图。
图7是用来制作根据本教导构造的电极板组件的基片和不同框架元件的分解图。
图8是沿着根据本教导构造的双极电池的截面截取的横截图。
图9是示出由内部应力引起的端板偏转的现有技术双极电池的示例的横截图。
图10是根据本教导构造的双极电池的横截图。
图11是从图10的双极电池获得的框架元件的透视图。
图12是图11的框架元件在用来形成框架元件组件时的透视图。
图13是图11和12的框架元件在用来形成包括一对粘贴框架元件的组件时的透视图，这对粘贴框架元件具有插入其间的分离框架元件。
图14是从图13的框架元件组件截取的放大截面图。
具体实施方式
这里公开的双极电池构造和材料提供了多个期望的好处，其可包括但不限于温度控制、高温关闭、增大的能量产生、降低的重量、减小的总体构造尺寸、改进的构造设计以支撑内部压缩负载、和/或减少的构造材料和组配成本。这些好处通过一种用来制作双极电池部件的方法来实现，所述方法包括提供介电基片、在基片中形成开口并用导电材料混合物填充这些开口，所述导电材料混合物在比基片的热降解温度要低的温度(例如，基片的材料经受相变以使其作为单元(cells)之间的不稳定物理阻挡或不然的话使其不适合用于作为单元隔板的温度)下经受相变(例如，其从通常自支撑和/或硬化的状态(例如，固体、相对较高粘性体(比如膏)化学地反应或不然的话物理地转变至流体比如液体和/或气体)。
导电材料混合物因而是如此的以使得在电池组件低于其相变温度的操作温度下，介电基片在基片的第一表面和相反第二表面之间具有通过材料混合物的导电路径，并且在高于导电材料混合物的相变温度的温度下，导电材料混合物经受禁止经由导电路径导电的相变。
还想象到，可使用一种独特的框架结构，由此一个或多个隔板框架和一个或多个粘贴框架与基片相组合地将每个置于与相邻框架和/或基片平面接触以使得电池单元的内部结构产生防止任何液体或空气从电池漏出的外部密封。粘贴框架元件的边缘还可包括用来接收定位于隔板框架的边缘上的对准销或支撑元件的开口。对准销定位入粘贴框架元件上的开口中可进一步便于形成外部密封。因而，导入电池的任何电解液将在没有电池泄漏和随后电池故障的风险之下可靠地维持。而且，不需要沉重的端板或外部支撑结构来有效地密封电池。
如上所述，粘贴框架元件还可以包括定位于粘贴框架元件的边缘之间的支撑元件(例如，销)。支撑元件的使用仅是解决压缩应力和所引起的电池内的不希望的边缘/剥离应力的问题的一种方法。这些应力可导致如上面所讨论的不期望的电池泄漏。支撑销在电池内的这个用途，以及产生的这里所讨论的内部方法，因此可称之为构建具有内部构架的双极电池。
使用内部构架构建或构造方法(与使用外部构架构建方法相比)来解决电池内压缩应力的不期望效果的特点在于，其没有导致体积能量密度的下降。另外，其是一种轻质的方法，仅使用具有非常少量活性材料损失的轻质销。而且，内部构架构建方法已经发现很大地减少由边缘剥离引起的传统双极电池故障的机会。而且，如果期望，能在框架元件的外围或边缘上添加销以对准分隔框架元件，从而允许其在压缩期间上下或来回滑动。
如果期望，双极电池可使用内部构架和外部构架构建方法的组合来构造。例如，双极电池能使用如上所述的内部支撑销来构造。除此以外，框架结构还能位于单极的终端侧面上。这个外部电池构造可由作为美感盒子的一部分的端盖来增强。这种构造中的内部构架和外部构架的组合特点一起作用以进一步减少最大边缘应力和位移。双极电池还可以基本上没有任何外部构架结构。
常规双极电池的构造涉及将作为电池的相邻单元之间的内部单元隔板的导电基片布置为使得相应单元中的电解液的分离由导电基片维持。正极活性材料(例如，以片材比如箔片的形式)应用至基片的一侧，同时负极活性材料(例如，以片材比如箔片的形式)应用至基片的相反侧。正极活性材料暴露至一个单元的电解液并且负极活性材料暴露至相邻单元的电解液。导电基片从而形成电连接两个相邻半个单元、一个正极和一个负极的单个结构。基片通常还将作为支撑结构以使得能收集和在相邻单元之间传输用于活性材料的电流。
用于单元之间并且活性材料应用于此的基片结构可以是任何适合的结构。其可以是包括至少一种非导电材料和至少一种导电材料(例如，以膏的形式应用于形成于介电基片中的孔中的导电材料)的复合结构，其提供基本上连续的导电流路。例如，其可提供基本上没有任何空隙、裂缝或其他孔或妨碍基片的非相反侧之间的非传导材料的导电流路。
基片能绕着其外围至少部分地密封，如果不是全部密封的话，以预防相邻单元的电解液之间的接触。
通常，这里的教导期待基片将与双极电池的正极和负极活性材料相组合来使用，其方式为使得其执行以下的一个或任何(例如，全部)组合：(1)参与引起自由电子演变的电化学反应，(2)用作单元分隔，防止相邻单元之间的电解液的迁移，(3)密切且有效地支撑电池单元的相关活性材料，(4)尽可能有效地导电，或(5)与其他电池部件合作以绕着可以在电池外表面上的双板边缘形成电解液密封。
基片能根据电池化学性质的功能由各种材料形成。基片可由结构足够地坚固的材料形成以提供期望的双极电极板的构架。基片可由适合的材料形成和/或以允许电从基片的一个表面传输至基片相反表面的方式构造。基板可由导电材料例如金属材料形成，或能由非导电材料例如聚合或塑料材料形成，但是具有构造于其中或其上的导电特点。
基片可由具有期望程度结构刚性的非导电材料例如聚合或塑料材料形成。而且，基片可由能经受超过电池构造中使用的任何导电材料的熔点的温度的材料形成。基片还可由在与电解液(例如，硫酸溶液)接触期间具有高度化学稳定性的材料构成以使得基片不会在与电解液接触时降解。基片可由聚合材料形成，包括但是不限于热塑性塑料、热固性塑料、包含弹性体的材料或其任何组合。可使用的聚合材料的示例包括聚酰胺、聚酯、聚苯乙烯、聚乙烯(包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、高密度聚乙烯和低密度聚乙烯)、聚丙烯、聚氯乙烯、生物基塑料/生物聚合物(例如，聚乳酸)、硅酮、丙烯腈丁二烯苯乙烯聚合物(ABS)、或它们的任何组合。作为示例，由ABS形成的基片的热扭变温度足以经受回流焊工艺，尽管所述回流焊工艺的温度显著高于塑料基片的玻璃转化温度。
如所示，一种可能的方法是使用复合基片，并且更具体地是包括一个或多个形成于其中的开口的通常非导电的基片(例如，介电基片)。开口可在基片的制造(例如，通过模塑或成形操作)期间成形，或不然的话制造期间加工出来(例如，铣)。
形成于基片中的开口的尺寸和频率可影响电池的电阻率。开口可形成为具有至少大约0.2毫米的直径。开口可形成为具有小于大约5毫米的直径。开口可形成为具有从大约1.4毫米至大约1.8毫米的直径。开口可形成为具有至少大约每平方厘米0.02个开口的密度。开口可形成为具有每平方厘米少于大约4个开口的密度。开口可形成为具有从每平方厘米大约2.0个开口至每平方厘米大约2.8个开口的密度。
开口可由导电材料例如包含金属的材料填充。例如，导电材料可以是或包括焊料材料，例如，包括铅、锡、镍、锌、锂、锑、铜、铋、铟或银中的至少一种或任何两种或多种的混合物的焊料材料。可使用的焊料材料的示例包括但不限于Sn-Ag-Cu(例如，SnAg3.0Cu0.5、SnAg3.5Cu0.7、SnAg3.5Cu0.9、SnAg3.8Cu0.7、SnAg3.8Cu0.7Sb0.25、和/或SnAg3.9Cu0.6)、SnCu0.7、SnZn9、SnZn8Bi3、SnSb5、SnAg2.5Cu0.8Sb0.5、SnIn8.0Ag3.5Bi0.5、SnBi57Ag1、SnBi58、SnIn52、以及它们的组合。导电材料可基本上没有任何铅(即，其包含至多痕量的铅)或其可包括功能地操作量的铅。
材料可包括铅和锡的混合物。例如，其可包括大部分锡和小部分铅(例如，大约55至65份重量的锡和大约35至45份重量的铅。)材料可显示低于大约240℃、230℃、220℃、210℃或者甚至低于大约200℃(例如，在大约180至大约190℃的范围内)的熔化温度。材料可包括共晶混合物。
使用焊料作为填充开口的导电材料的特点在于，焊料具有限定的熔化温度，其能根据所使用焊料的类型改变，以致在对于连续电池运行而言可能不安全的温度下熔化。一旦焊料熔化，包含熔化焊料的基片开口不再导电并且在电极板内产生开路。开路可运行为急剧增大双极电池内的电阻，从而停止进一步的电流流动并且关闭电池内的不安全反应。于是，所选择来填充开口的导电材料的类型能根据是否期望在电池内包括这种内部关闭机构而变化，以及如果这样的话期望实现这种内部关闭的温度。
本教导的独特方面之一期待基片将构造为使得在超过预定状况的运行状况的情况下，基片将用来通过中断穿过基片的导电性来禁止电池的运行。例如，填充介电基片中的孔的导电材料将经受相变(例如，其将熔化)以使得基片两侧的导电性中断。中断的程度可以是局部地或者甚至是全部地使得穿过基片的导电性功能禁用。
本教导的再一个独特特点是框架结构的使用，其用来形成在电池周围有效地产生外部密封的内部支撑结构，从而允许任何电解液在没有边缘剥离或泄漏之下维持在单元内。这个内部支撑结构还降低对于通常用来密封电池的任何笨重端板或外部结构的需要。在不需要这些端板或外部结构之下，用来形成电池的单元的数量在尺寸和重量方面不受限制，因而更多单元可组合以产生更多动力而不需要更多重量和尺寸来密封电池。
组件可包括一个或多个粘贴框架元件、分隔框架元件或两者都有。举例来说，分隔框架元件可定位为邻近正极粘贴框架元件。分隔框架元件可操作为将一个电极组件的正极粘贴框架元件与相邻电极组件的负极粘贴框架元件分开。分隔框架元件还可提供用于在其之间容纳期望容量的电解液的包含腔室。分隔框架元件可由结构刚性的非导电材料形成，其能在不存在边缘剥离或泄漏问题之下在操作温度下在铅酸电池环境内执行。分隔框架元件和粘贴框架元件可由包括但是不限于热塑性塑料、热固性塑料、包含弹性体的材料以及它们的任何组合的聚合材料构成。
正极和负极粘贴框架元件可包括具有设置来容纳相应正极侧和负极侧活性材料体积的开口内部区段的大致刚性框架。正极和负极粘贴框架元件可由非导电材料形成，其能在不存在泄漏问题之下在操作温度下在铅酸电池环境内执行。置于粘贴框架元件的边界内的活性材料包括那些用来在常规双极电池中形成电极表面的正极和负极活性材料。出于端接的目的，负极粘贴框架元件可从用于形成正极终端的端接电极组件中省略，并且正极粘贴框架元件将从用于形成负极终端的端接电极组件中省略。
这里公开的电池构造还可包括用来防止常规双极电池中普遍的应力相关的剥离问题的附接和/或支撑元件。应力相关的剥离问题已经有些限制了较大尺寸和功率的双极电池的构造，因为在电池组装之后由于压缩而有应力置于电池端板上。电池构造可包括多个在刚性基部和端板之间延伸的支撑元件或销。
销可定位于分隔框架元件的内部边缘之间的构造内从而减少构造内的边缘之间的有效距离。销还可减少最大边缘应力和端板位移的量。销的放置因而可减少由于压缩应力的作用导致电池内出现不希望的剥离。粘贴框架元件的边缘还可包括用于接收定位于隔板框架的边缘上的对准销或支撑元件的开口。对准销定位入粘贴框架元件上的开口还可便于形成外部密封。
粘贴框架元件还可包括在框架元件边缘之间延伸的支撑格栅结构，其中格栅结构包括延伸穿过格栅结构以适应支撑销穿过其中放置的多个开口或孔。
图1示出根据本教导的原理的双极电池10的示例，其包括多个从前至后(或不然的话以至少部分地跨越电池两侧的布置，如果不是完全跨越的话)叠置(例如以串联的形式)的电极板12或双板。双板的数量和构造可根据期望进行选择以限定电池的长度和横截面形状。
图1示出双板形成为方形或矩形构造的双极电池的示例，但是如果期望，能使用其他板构造，比如圆形、椭圆形、六边形等。
例如如图2所示，电极板组件14包括定位于粘贴框架元件18和20之间的基片16。分隔框架元件22和24放置为与相应的粘贴框架元件18和20相接触。正极和负极粘贴框架元件可包括具有开口内部区段21、23的大致刚性框架18、20，开口内部区段21、23设置为容纳相应正极侧活性材料34和负极侧活性材料36的体积。
例如如图2所示，基片可包括多个形成于基片中并且在相反表面28和30之间延伸穿过基片的厚度的开口26、孔或通道。开口26的数量和尺寸足以在电池运行期间允许期望的电流流量在表面28和30之间穿过基板。
如图2所示，基片表面28和30可包括分别布置于其上的导电材料层34和36。导电材料层34和36能以金属箔片的形式提供。用来形成导电材料的优选金属材料由铅形成。金属箔片可通过能在电池运行期间保持箔片层附接至相邻基片表面的适合粘合剂附接至基片。如上面提到的，在足以引起开口26内的焊料熔化的较高操作温度期间，焊料或其他适合的导电材料在材料层34和36中扩散，留下没有导电材料的开口以促进期望的开路状况。
电极组件14还可以是对于电池之间的电解液的任何不期望的泄漏是不可渗透的。因而，期望用来通过基板16填充多个开口26的导电材料以如此的方式完全地填充开口以避免其中电解液的任何不期望的泄漏。基板表面上方的导电材料层34和36还可操作来防止穿过板的不期望的电解液泄漏。虽然材料层中的缺陷能引起电解液的泄漏，但是缺陷将必须与穿过基片的开口对准。而且，所述具体开口中的导电材料将必须不能填充开口以使得这种缺陷引起穿过电极组件的泄漏。
图3示出另外的示例基片40，其包括内部地布置于基片层43和44之间的基片内的导电互连层42，其中基片层的外表面分别与导电材料层46和48相接触。互连层42可由导电材料例如金属材料形成，并且定位于彼此结合的两个相对基片层叠层之间。基片层43和44能由上述用于基片的那些材料形成。
如图3中进一步所示，互连层42允许开口50从每个表面42和44延伸，并且由期望的导电材料51填充，彼此偏移或相互阻挡以避免形成穿过基片的连续液体泄漏路径。虽然从每个表面延伸的导电开口50彼此偏移或相互阻挡，它们仍然借助于其连接至共用导电互连层42的优点用于穿过基片传输电流。
虽然图3所示的基片实施例显示了基片如何能构造来具体地解决避免电解液泄漏路径的问题，理解到可使用其他实施例和/或方法。例如，电极组件能使用放置为彼此相邻的多于一个的基片形成，和/或通过形成具有多个内层的基片构造而形成。这些实施例将在本发明的范围内。
返回参照图2，用于制作电极组件的基板14还可构造为具有布置于其中的一个或多个内部通路52。通路52可定向为在基片内水平地和/或垂直地和/或对角地延伸，并且理想地构造为适应于冷却介质在其中的传输。例如，基片14能构造为具有多个构造和定向为适应于冷却液或气体在其中传输的内部通路52。
基片内的这种内部冷却通路的存在可操作来控制在操作期间电池内的温度从而促进优化的电池性能。通路52能由可与基片成一整体或独立的适合入口和出口连接。入口和出口可将冷却液流或气流导入电池内的多个电极组件和从其中导出。流体或气体控制设备比如阀等可在需要时与冷却通路相联系地使用以在操作和充电期间给双极电池提供期望程度的温度控制。虽然图3中未示出，但是理解到这种内部冷却通路54可存在于这里给出的具体基片40内。
图4示出包括多个构造层的示例层叠电极构造60。这种层叠电极构造的特点是能使用独立地设计以提供用于双极电池内的期望导电性、不渗透性以及耐腐蚀性的不同材料层。
这种层叠电极构造60位于每个相对的基片表面上方并且附接至表面，例如，通过粘合附接，并且形成导电材料层。虽然可使用具有其他类型构造的导电材料层，例如，由单层材料形成，但是这种层叠电极构造60的使用提供了某些期望的优点。例如，层叠电极构造60可包括由具有期望程度的耐腐蚀性和改进导电性的导电材料形成的内层62。内层62可由铜或铜合金形成并且能以具有至少大约0.01毫米厚度的箔片的形式提供。箔片可具有小于大约1毫米的厚度。箔片的厚度可在大约0.05毫米至大约0.6毫米的范围。
最外层64和66可沿着内层的相反表面定位并且也可由导电材料形成。最外层64和66可由铅形成。最外层64和66能以具有至少大约0.01毫米厚度的箔片的形式提供。箔片可具有小于大约1毫米的厚度。箔片的厚度可在大约0.05毫米至大约0.6毫米的范围。层叠电极构造60可布置为使得最外层64和66分别通过中间层68和70的使用放置并且保持为与内层62相接触。中间层可由具有相对较低熔点的导电材料比如前述材料形成，并且层叠构造可通过熔化中间层之间的材料并且将这些层压在一起以确保其间的电连接来形成。中间层可由具有相对较低熔点的导电材料比如前述材料形成。举例来说，可使用铅锡焊料以使得层可在中等压力下以大约200℃的温度压在一起以形成期望的层叠电极构造60。
图5示出根据本发明原理准备的示例电极组件70。电极组件70可包括双极电极72，其构造为具有基片(如图2和3中所示)和沿着基片的外表面布置的层叠电极构造(如图4中所示)。组件70还可包括一个或多个粘贴框架元件。例如其可包括定位为邻近电极72的一个表面74的正极粘贴框架元件73，以及定位为邻近电极72的相反表面78的负极粘贴框架元件76。
分隔框架元件80可定位为与正极粘贴框架元件73相邻。分隔框架元件80可操作为将一个电极组件的正极粘贴框架元件与相邻电极组件的负极粘贴框架元件分离。分隔框架元件80还可提供包含腔室82，用于在其间容纳期望体积的电解液。分离框架元件80还可提供位移挡块以确保隔板材料比如吸附性玻璃垫的正确压缩。分隔框架元件80可由能在没有泄漏问题之下以操作温度在铅酸电池环境内执行的结构刚性的非导电材料形成。分隔框架元件和粘贴框架元件可由包括但是不限于热塑性塑料、热固性塑料、弹性体包含材料或其任何组合的聚合材料构成。
图6示出用于制作可包括定位于外部框架边缘88之间的支撑格栅结构86的电极组件的示例粘贴框架元件84。在这个构造中，支撑格栅86可设置为给粘贴框架元件提供增强程度的结构支撑，并且促进标准粘贴装备中的两侧粘贴。支撑格栅可在粘贴过程期间提供结构支撑以防止弯曲并且还可改进粘附。另外，保护性释放层可附接至框架边缘的外表面。因此，在粘贴后的操作期间，与框架边缘意外地接触的任何活性材料能容易地从边缘移除，留下清洁的表面用于接下来的框架附接。
图7示出电极板组件90，其包括电极92(包括基片元件和布置于其上的外部导电材料)、定位于电极92的相反表面上的正极和负极粘贴框架元件94和96、以及附接至正极和负极粘贴框架元件94的相应表面的分隔框架元件98和100。在粘贴和固化正极和负极粘附框架元件94和96之后，分隔框架元件98和100可附接于此。电池然后可通过叠置电极组件直到获得期望数量的单元或电压来构建。这种叠置并组装的方法的优点在于电池构造的压力均匀地布置于每个单元的两侧，这对于阀调节的铅酸电池的性能是重要的。
在组装之后，电池可通过存在于单元框架元件中的端口(未示出)由电解液填充。在填充后，阀(未示出)可附接至分隔框架元件。为了便于这个附接，分隔框架元件可构造为在正极和负极粘贴框架元件上方延伸(如图7中所示)，这还提供了用于电解液的另外的头部空间。
如上所述，用于制作双极电池的电极组件可构造为在其中容纳冷却剂流以在正常电池操作期间和/或电池充电期间促进电池温度控制。具体地，如上所述并且如图2和3中所示，这个发明的电极组件可包括基片元件，基片元件具有一个或多个布置于其中的冷却通道，用来便于期望的冷却介质贯穿其中通过以帮助控制内部电池温度。
图8示出具有内部冷却系统112的双极电池110的截面图。冷却系统可包括与延伸穿过构成电池的多个(例如，全部或选择数量)单元的冷却管道116相通的冷却流体或气体入口和冷却流体或气体出口。
冷却管道116可延伸穿过电池内的所有单元，并且能以对准的开口120的形式提供，开口120穿过多个基片元件121、粘贴框架元件122以及分隔框架元件124。冷却系统可构造为提供穿过电池的单个或多通道冷却剂流。另外，构成每个电池单元的分隔元件能构造为以能基于具体电池构造和/或电池用途最佳地解决任何独特电池冷却需求的方式引导电池内的冷却剂流。
这里公开的电池构造还可包括作用来防止常规双极电池普遍的应力相关剥离问题的附接和/或支撑元件。举例来说，图9示出包括刚性基部132、分隔框架元件134以及端板136的常规双极电池构造130，其中分隔框架元件134插入在刚性基部和端板之间，并且其中分隔框架元件包括吸附性玻璃垫(AGM)137。上述应力相关剥离问题有些限制较大尺寸和功率的双极电池的构造，因为在电池组装之后应力由于AGM垫137的压缩而置于电池端板136上。
如图9中所示，在常规双极电池构造中，由AGM垫137引起的压缩应力能引起端板136向外弯曲，在组件的边缘上布置最大应力。这个应力可产生不期望的内部剥离。这种边缘应力已经发现足以剥离在双极电池构造期间使用的大部分胶或粘合剂。任何粘合剂剥离可引起电解液从电池不期望地泄漏。
图10示出根据这里公开原理准备的双极电池构造150。电池构造150包括刚性基部152、分隔框架元件154、以及端板156，其中分隔框架元件154插入在刚性基部152和端板156之间，并且AGM垫155布置于刚性基部和端板之间。双极电池构造150的特点在于其包括多个在刚性基部152和端板156之间延伸的支撑元件或销158。
如图10中进一步所示，销158定位于分隔框架元件154的内侧边缘160之间的构造内以便从而减少构造内的边缘之间的有效距离。销158还可降低最大边缘应力量以及端板位移。销158的布置因而可减少电池内由于压缩应力的作用而造成的不期望的剥离。
图11和12示出包括在框架元件边缘174之间延伸的支撑格栅结构172的示例粘贴框架元件170，其中格栅结构172包括多个延伸穿过格栅结构以容纳穿过其中的支撑销178(图12中所示)的布置的开口或孔176。支撑销178可具有如此的长度以使得它们如图10所示在刚性基部和端板之间延伸。支撑销178还可具有如此的厚度以在电池内提供期望级别的结构支撑。
支撑销178可由非导电材料比如塑料等形成，它们都是足够地刚性以在双极电池的操作环境内在刚性电池元件之间提供期望程度的支撑。例如，销由与用来形成粘贴框架元件和/或分离框架元件的相同类型的材料形成。
图13和14示出电极组件180，其包括正极粘贴框架元件182、布置于正极粘贴框架元件182上方的分隔框架元件184、以及布置于分隔框架元件184上方的负极粘贴框架元件186。负极粘贴框架元件186可构造为包括支撑格栅188，支撑格栅188包括多个包含布置于其中的支撑销192的孔190。
支撑销192可从负极粘贴框架元件186向外延伸并且可从正极粘贴框架元件182与支撑格栅194的相邻部分相接触。正极粘贴框架元件支撑格栅194可包括或不包括孔以接受支撑销位于其中。以这种方式构造，支撑销可操作为维持电池内的组装元件之间的期望间隔，并且操作为减少如上所述存在于电池内的内部边缘应力。图14示出在正极和负极粘贴框架元件182和186之间延伸的支撑销192的布置。
将理解到，用来构造双极电池的支撑销的精确位置、尺寸和数量可根据电池的具体尺寸、构造和/或应用而改变，并且这种变化将在本发明的范围内。而且，虽然支撑元件已经描述为销，但是将理解到支撑元件可采用能执行上面提到功能的各种不同形状或构造，并且这些不同形状和构造理解为在本发明的范围内。
这里描述的双极电池的示例构造在示例1中描述。更具体地，可提供基片。其可切割为适合的尺寸和/或形状。多个孔可形成于介电聚合基片中。可对基片进行清洁。导电材料可应用来填充孔。例如，其可印刷、喷射、散布、蒸发、电镀、或由任何类似的沉积工艺沉积。片材(例如，金属箔片)应用于基片的每个侧面上。其可以是滚压的或不然的话平滑的。片材可经由任何适合的粘合剂粘合至基片。施加热和/或压力来将片材结合至基片和其中的导电材料。热能以至少大约80℃的温度施加。热能以小于大约475℃的温度施加。压力能以大于大约30PSI施加。施加的压力可小于大约300PSI。在一些构造中可不施加压力。所得到的双板可经受在大约50℃至大约200℃的温度下的烘炉加热。烘炉加热可以是任何足以固化在构造中使用的任何粘合剂的任何温度。粘贴框架然后可经由粘合剂附接至双板的两侧。
双板可用膏覆盖，所述膏可以是含铅的膏。膏可以是氧化铅膏。双板还可在粘贴之后烘炉固化。双板然后可组装以形成电池。电池组件可包括负极单极、正极单极、以及在它们之间的多个双板。一个或多个隔板框架可位于单极和双板之间。隔板框架也可包括一个或多个支撑结构。一个或多个垫隔板材料(例如，吸附性玻璃垫)可位于每个隔板框架中。粘合剂(例如，塑胶)可应用至每个隔板框架。板然后可叠置并固化。组装的电池然后可与电解液(例如，硫酸溶液)相接触。一旦填满，填充的端口可由粘合剂密封。
示例1-具有环氧树脂层叠基片的双极电极
环氧树脂层叠板，FR4 Micarta
Figure BPA00001394854900181
板(可由Norplex Micarta，Postville，IA获得)用作基片材料。基片是0.8毫米厚并且切割为197×166毫米。在中心上的720个1.6mm直径的孔6.25mm铣入基片。样品在两个表面上稍微打磨并且用异丙醇冲洗。橡胶基的热固性粘合剂然后刷到基片的两个表面上并允许干燥直到其不剥落性。也可以使用环氧树脂基的粘合剂。
丝网印刷用来将锡铅焊膏印刷入基片的孔。NC65063/37锡铅焊料(可从FCT Assembly，Greely，CO获得)用于这个示例。焊料首先丝网印刷到基片的正极表面上。在印刷之后，铅箔片应用至这个表面并且滚压平滑。箔片是3密耳厚，含铅98.5％和锡1.5％的箔片。可使用其他焊料，包括锡铋和无铅焊膏。基片然后翻转并且焊料丝网印刷到基片的负极表面上。在印刷之后，铅箔片，如上所述，应用至负极表面并且滚压平滑。可使用其他类型的箔片，包括铜、镀锡铜、镀镍铜和镀锌铜。
基片组件接着放置入热压印机。压板温度(顶部和底部)设置用于焊料的共晶，在此情况下为183℃。施加的压力大于100PSI。样品受压40秒。在这个操作期间，焊料回流且形成电接触并且粘合剂部分地固化。样品然后放置于125℃的烘炉中1小时以完成橡胶基粘合剂的固化。
粘贴框架然后附接至基片组件。正极和负极粘贴框架由1/16英寸厚的ABS塑料加工。粘贴框架使用橡胶基热固性粘合剂附接至基片。电极放置于具有轻压力(1psi)的夹具中并且整夜固化。在固化之后，样品使用喷砂(80粗砂玻璃珠)清洁直到铅箔片是均匀的无光泽灰色。样品然后用压缩空气清洁。最后，保护膜(3密耳PE带)应用至粘贴框架的正极和负极表面。
使用Extech380460数字欧姆表利用基片两侧16个点上的4点Kelvin探针来测量电极的电阻。全部16个电阻值都小于0.1毫欧，这也是毫欧表的限度。样品然后从8英尺的高度落下。没有观察到分层或损坏。而且，电阻值没有改变。
示例2-具有ABS热塑性基片的双极电极
丙烯腈二乙烯丁二烯(ABS)塑料片材用作基片。基片是1.6mm厚并且切割为197mm×186mm。720个1.6mm直径的孔铣入基片。样品在两个表面上轻微磨砂且用异丙醇冲洗。橡胶基热固性粘合剂然后刷到基片的两个表面上并允许干燥直到其不剥离。
丝网印刷用来将锡铅焊膏印刷入基片的孔。NC650 63/37锡铅焊料(可从FCT Assembly，Greely，CO获得)用于这个示例。焊料首先丝网印刷到基片的正极表面上。在印刷之后，铅箔片应用至表面并且滚压平滑。箔片是3密耳厚，含有98.5％铅和1.5％锡的箔片。基片然后翻转并且焊料丝网印刷到基片的负极表面上。在印刷之后，铅箔片如上所述应用至负极表面并且滚压平滑。
基片组件接着放置入热压印机。压板温度(顶部和底部)设置用于焊料的共晶，在此情况下为183℃。压力由于ABS的低热扭曲温度而没有施加。压板重量用来形成接触。样品受压40秒。在这个操作期间，焊料回流且形成电接触并且粘合剂固化。样品然后放置于125℃的烘炉中1小时以完成橡胶基粘合剂的固化。
粘贴框架然后附接至基片组件。正极和负极粘贴框架由1/16英寸厚的ABS塑料加工。粘贴框架使用橡胶基热固性粘合剂附接至基片。电极放置于具有轻压力(1psi)的夹具中并且整夜固化。在固化之后，样品使用喷砂(80粗砂玻璃珠)清洁直到铅箔片为均匀无光泽的灰色。
使用Extech380460数字欧姆表在基片两侧16个点使用4点Kelvin探针测量的电极的电阻。仪表的敏感度为0.1毫欧。全部16个电阻值小于0.1毫欧，这是毫欧表的限度。样品然后从8英尺的高度落下。观察到没有分层或损坏。而且，没有改变电阻值。
在这个发明的其他实施例中，已经使用包括聚碳酸酯、丙烯酸、聚苯乙烯和聚氯乙烯的其他基片材料。
示例3-温度对于电极电阻的影响
温度对于示例1中制作的双极电极在没有附接粘贴框架之下的电阻的影响通过改变压力机中不同温度下的时间量来研究。样品使用剪刀剪裁为最大1.25英寸×1.25英寸的方形以使得每个试样具有9个焊料填充的通孔。在一些情况下箔片由于切割工艺而在边缘处升高。每个样品再次滚压以将箔片紧固至基片。
压力机加热至设置点温度并且保持以确保压板均匀地受热。所测试的设置点温度处于从172℃(低于共晶)、182.5℃(处于共晶)至192.5℃的范围。温度使用分辨率至0.1℃的数字型K热电偶测量。当压板处于初始温度时，压力机打开，样品放置于中心中，压力机闭合并且定时器启动。在所有情况下，压板的温度在样品插入时下降。对于所有测试，压板加热器在样品处于压力机中时保持关闭以避免由于仅顶部压板被加热而造成的不对称加热。
在加热之后，试样的电阻使用Extech380460数字毫欧表来测量。仪表的敏感度为0.1毫欧。样品放置于使用手钳来压缩的铜电极之间。压板在不同设置点温度下作为时间的函数的结果在表A中绘制。测试证实在样品暴露至高于焊料共晶温度时，电阻在焊料被吸入正极和负极电流收集箔片时增大数个数量级。低于合金的共晶点，电极的电阻仍然较低。在有害温度下熔化的这个性质有利于由这里公开的双极电极制成的电池，因为其提供了内部熔断安全机构。
表A：时间和温度对电极电阻的影响
压板(platen)温度设置点＝187.5℃
Figure BPA00001394854900201
压板温度设置点＝182.5℃
Figure BPA00001394854900202
压板温度设置点＝185.0℃
Figure BPA00001394854900211
示例4：孔密度对电极电阻的影响
双极电极根据示例1制作为在基片中具有变化数量的孔。试样的阻力使用Extech380460数字毫欧表来测量。仪表的敏感度为0.1毫欧。结果在表B中列出并且示出孔密度降低则电阻增大。电极的电阻率能调节以对于低功率应用使用较少的孔并且对于高功率应用使用较多的孔来优化电池性能。
表B：孔密度对电极电阻的影响
  孔密度(孔/cm2)   电阻(毫欧)
  2.40   ＜0.1
  0.60   0.08±0.1
  0.15   0.56±0.3
示例5：支撑格栅结构对弯曲的影响
1/8英寸厚的ABS片材切割为197mm×186mm以模拟根据双极电极在根据示例1制作时的机械弯曲。4.5mm的隔板框架使用塑胶附接至第一ABS。接着，0、1或4个内部支撑结构的任何一个(4.5mm厚20mm直径的ABS内锁(Endo-locks))附接至第一ABS片材。然后3张BG325吸附性玻璃垫(AGM)隔板(可从Hollingsworth&Vose，East Walpole，MA获得)被模切以装配于具有孔的隔板框架中以容纳内部支撑结构。这些放置入AGM。塑胶然后应用至隔板框架的顶面和顶部放置有第二塑料板的内部支撑结构。组件然后压缩，引起AGM30％的压缩。最后，样品通风口附接至隔板框架以允许压力施加至样品。样品允许整夜固化。
最大位移高度在空气压力施加至样品时使用高度计测量。以毫米计的测量位移在表C中列出，示出降低样品弯曲的有效性。
表C：作为施加空气压力和内锁作用的函数的测量最大位移
Figure BPA00001394854900221
示例6：由双极电极制成的双极铅酸电池
电极根据示例1制作。电极使用标准化粘贴装备由常用于铅酸电池工业中的氧化铅膏粘贴。首先应用正极膏。膏在这个示例中不是快干的，但是也可使用快干的。然后应用负极膏。板然后使用在铅酸电池工业中使用的标准固化烘炉固化。在固化之后，检查样品的粘附损失、膏重均匀性和损坏。在70个已粘贴的电极中仅3个电极具有轻微的膏粘附问题。双极电极的膏重变化小于2％的一西格玛偏离。
双极电池通过首先从已粘贴的双极和单极板移除保护膜来组装。铜终端焊料焊接至正极单极和负极单极。1/8英寸厚的ABS片然后使用塑胶胶粘至单极的外侧表面。双极电池构建有1个正极单极板、5个双极板和1个负极单极板。ABS隔板框架和ABS内锁(中心中每单元1个)使用塑胶附接至正极单极板和5个双极板的正极表面。隔板部件是4.5mm厚。3片BG300AGM(可从Hollingsworth&Vose，EastWalpole，MA获得)(模切至适合尺寸)放置于隔板框架中。塑胶然后应用至隔板框架和内锁的负极表面以及相邻双极板和负极单极板的负极表面。板然后彼此叠置并且在6吨千斤顶压力机中受压至可控的位移。组装的电池允许整夜固化。电池从压力机移除并且组件的四侧由环氧树脂封装并且允许固化24小时。在固化之后，阀组件附接至每个隔板框架。阀是1psi的伞形紧急阀(可从Minivalve，YellowSprings，OH获得)。全部单元压力测试至1psi气压以确保没有泄漏。最后，在6个隔板框架中的每个的底部中钻出5个1/8英寸的填充孔。
电池放置于足够深度的具有1.265比重硫酸的浅桶中以确保电池酸的水平高于AGM隔板片材的底部。AGM毛细硫酸以在40分钟内完成填充。电池然后放置以成形同时保持于酸中。电池使用多步骤成形计划超过4天地形成为250安培时/磅的PAM。在形成之后，电池从酸桶中移除。底部稍微用碳酸氢钠溶液冲洗并且然后热熔粘合剂用来密封底部填充口。电池的开路电池电压为12.91V。在其他示例中，电池留在支架上超过一个月。支架损失范围从0.7％/月至4.4％/月，这与市售铅酸电池相符。
使用可从Bitrode，Fenton，MO获得的测试装备测量电池，以恒定速率放电至10.5伏的切断电压，返回为120％(限制于14.6V)。其结果在表D中列出。
表D：双极电池的放电时间
  速率(安培)   时间(小时)   毫安培/克，PAM
  0.5   24.28   120.2
  1.0   10.26   99.6
  2.0   3.95   76.7
  3.0   2.36   68.8
  5.0   1.20   58.3
  10.0   0.41   39.8
示例7：由双极电池支座的双极铅碳电池
电极根据示例1制作。电极使用标准化粘贴装备由常用于铅酸电池工业中的氧化铅膏粘贴。首先应用正极膏。不粘贴负极膏。板然后使用在铅酸电池工业中使用的标准固化烘炉固化。在固化之后，检查样品的粘附损失、膏重均匀性和损坏。在检查之后，负的阳极浆料粘贴入负极粘贴框架。浆料由石墨烯(可从XG Sciences，East Lansing，MI获得)和硫酸制作。
双极电池通过首先从已粘贴的双极和单极板移除保护膜来组装。铜终端焊料焊接至正极单极和负极单极。1/8英寸厚的ABS片然后使用塑胶胶粘至单极的外侧表面。双极电池构建有1个正极单极板、5个双极板和1个负极单极板。ABS隔板框架和ABS内锁(中心中每单元1个)使用塑胶附接至正极单极板和5个双极板的正极表面。隔板部件是4.5mm厚。3片BG300AGM(可从Hollingsworth&Vose，EastWalpole，MA获得)(模切至适合尺寸)放置于隔板框架中。塑胶然后应用至隔板框架和内锁的负极表面以及相邻双极板和负极单极板的负极表面。板然后彼此叠置并且在6吨千斤顶压力机中受压至可控的位移。组装的电池允许整夜固化。电池从压力机移除并且组件的四侧由源自Quadrant化学公司的环氧树脂封装并且允许固化24小时。在固化之后，阀组件附接至每个隔板框架。阀是1psi的伞形紧急阀(可从Minivalve，Yellow Springs，OH获得)。全部单元压力测试至1psi气压以确保没有泄漏。最后，在6个隔板框架中的每个的底部中钻出5个1/8英寸的填充孔。
电池放置于足够深度的具有1.265比重硫酸的浅桶中以确保电池酸的水平高于AGM隔板片材的底部。AGM毛细硫酸以在40分钟内完成填充。电池然后放置以成形同时保持于酸中。电池形成为250安培时/磅的PAM。在形成之后，电池从酸桶中移除。底部稍微用碳酸氢钠溶液冲洗并且然后热熔粘合剂用来密封底部填充口。电池再使用碳酸氢钠溶液冲洗并放置于架上24小时。电池的开路电池电压为4.28。在另一示例中，单个单元的铅碳电池根据示例制作并且切割开以检查正极活性材料的形成。我们发现PAM将是表示形成的均匀巧克力棕色。
使用可从Bitrode，Fenton，MO获得的测试装备测量电池，以恒定速率放电至10.5伏的切断电压，返回为120％(限制于14.6V)。其结果在表E中列出。
表E：双极铅碳电池的放电时间
Figure BPA00001394854900251
除非另有声明，这里描述的各种结构的尺寸和几何形状并不是要限制本发明，并且其他尺寸和几何形状也是可能的。多个结构部件能通过单个一体结构来提供。替代地，单个一体结构可分为分开的多个部件。另外，虽然本发明的一个特点可能仅在一个示出的实施例的内容中描述，但是对于任何给定应用，这个特点可与其他实施例的一个或多个其他特点组合。从上面还将理解到，这里所述独特结构的制造及其操作也构成根据本发明的方法。
本发明的优选实施例已经公开。然而本领域技术人员将认识到，某些变型将落入本发明的教导内。因此，应当研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。
这里给出的解释和图示意图使本领域技术人员熟知本发明及其原理和实际应用。本领域技术人员能根据最适合于具体用途的需求的方式以众多形式适应和应用本发明。于是，本发明所阐述的具体实施例不是穷尽的或对本发明的限制。本发明的范围因此应当在不参照以上描述之下确定，而是替代地参照所附权利要求连同给这些权利要求所赋予的等同概念的全部范围确定。所有论文和参考文献包括专利申请和公开的内容全部通过参考结合于此。从以下权利要求获知的其他组合也是可能的，这些也通过参考结合入这个书面描述。

Claims (20)

1.一种制作双极电池组件的方法，包括步骤：
提供具有第一表面以及相反第二表面的介电基片；
在基片中形成多个开口；
用至少一个导电材料混合物填充多个开口，混合物在低于基片热降解温度的温度下经受相变以使得在电池组件低于相变温度的操作温度下，介电基片具有经由基片的第一表面和第二表面之间的材料混合物的导电路径，并且在高于相变温度的温度下，导电材料混合物经受禁用经由导电路径导电的相变；
用将在电池的第一单元中在基片的第一表面上用作负极集电器的第一集电片材以及将在电池的第二单元中在基片的第二表面上用作正极集电器的第二集电片材覆盖基片，第一集电片材和第二集电片材布置为使得所述至少一个导电材料和基片被夹持于其间；
将第一非导电性粘贴框架元件以与基片的边缘平面接触的方式定位于第一集电片材上，从而沿着电池的外部形成防泄漏密封；以及
可选地将第二非导电性粘贴框架元件以与基片的边缘平面接触的方式定位于第二集电片材上。
2.根据权利要求1的方法，其中基片包括至少一个嵌入基片中的冷却通道以使得所述至少一个冷却通道：
与基片的表面平行地延伸；
不与基片中的多个开口交叉；并且
延伸穿过基片、粘贴框架元件、隔板框架以及位于其间的任何粘合剂从而形成延伸穿过电池的冷却管道。
3.根据权利要求1或2的方法，其中粘合剂层应用于粘贴框架、集电片材和基片中的一个或多个之间。
4.根据权利要求1至3的任何的方法，其中导电材料在高于导电材料熔点的任何温度下熔化并不能填充所述多个开口。
5.根据权利要求1至4的任何的方法，其中基片中任何未填充的开口将引起以下的至少一个：(i)部件内的开路；(ii)部件内增大的电阻；以及(iii)电池故障。
6.根据权利要求1至5的任何的方法，其中导电材料是焊膏。
7.根据权利要求1至6的任何的方法，其中基片由具有足以经受导电材料的任何熔化的热扭变温度的材料构成。
8.根据权利要求1至7的任何的方法，其中一个或多个粘贴框架元件包括一个或多个支撑元件以减少电池部件内的边缘之间的有效距离。
9.根据权利要求1至8的任何的方法，其中第一和第二集电片材由箔片材料构成。
10.一种双极电池层叠结构，其包括：
具有一个或多个边缘的第一隔板框架；
具有一个或多个边缘的负极粘贴框架元件，其中负极粘贴框架元件的至少一个边缘与隔板框架的至少一个边缘平面接触；
在所述一个或多个负极粘贴框架边缘之间延伸的支撑格栅结构；
粘附至负极粘贴框架元件的负极集电片材；
基片，其具有
第一表面和第二表面，第一表面放置为经由粘合层与负极集电片材平面接触；
一个或多个边缘，以使得至少一个边缘与负极粘贴框架元件的至少一个边缘平面接触；以及
形成于其中的多个开口，其中所述多个开口由导电材料填充；
正极集电片材，其布置为经由粘合层与基片的第二表面平面接触；
在所述一个或多个正极粘贴框架边缘之间延伸的支撑格栅结构；
具有一个或多个边缘的正极粘贴框架元件，其中负极粘贴框架元件的至少一个边缘与基片的至少一个边缘平面接触；以及
具有一个或多个边缘的第二隔板框架，其中至少一个边缘与正极粘贴框架元件的至少一个边缘平面接触，
其中隔板框架的边缘、负极和正极粘贴框架元件的边缘以及基片的边缘的平面接触在电池上形成外部密封以使得导入其中的电解液将不会从电池内泄漏。
11.根据权利要求10的电池结构，其中电池基本上没有任何外部紧固结构以防止边缘剥离。
12.根据权利要求10或11的电池结构，其中导电材料是焊膏。
13.根据权利要求12的电池结构，其中导电材料具有低于基片热降解温度的熔点。
14.根据权利要求13的电池结构，其中导电材料在高于导电材料熔点的任何温度下熔化并且不能填充所述多个开口。
15.根据权利要求14的电池结构，其中导电基片片材中任何未填充的开口将引起以下至少一个：(i)单元内的开路；(ii)单元内增大的电阻；以及(iii)电池故障。
16.根据权利要求12至15的任何的电池结构，其中负极和正极集电片材由箔片材料构成。
17.根据权利要求10至16的任何的电池结构，其中基片由具有足以经受导电材料的任何熔化的热扭变温度的材料构成。
18.根据权利要求10至17的任何的电池结构，其中一个或多个粘贴框架包括一个或多个连接至相对粘贴框架的支撑元件以减少电池单元内的边缘之间的有效距离。
19.一种制作双极电池组件的方法，包括步骤：
提供具有第一表面以及相反第二表面的介电基片；
在基片中形成多个开口；
用至少一个导电材料混合物填充所述多个开口，混合物在低于基片热降解温度的温度下经受相变以使得在电池组件低于相变温度的操作温度下，介电基片具有经由基片的第一表面和第二表面之间的材料混合物的导电路径，并且在高于相变温度的温度下，导电材料混合物经受禁用经由导电路径导电的相变；
由粘附至基片并且将在电池的第一单元中在基片的第一表面上用作负极集电器的第一集电器箔片和粘附至基片并且将在电池的第二单元中在基片的第二表面上用作正极集电器的第二集电器箔片覆盖基片，第一集电片材和第二集电片材布置为使得所述至少一个导电材料和基片被夹持于其间；
将第一非导电性粘贴框架元件以与基片的边缘平面接触的方式定位于第一集电片材上，从而沿着电池的外部形成密封；以及
将第二非导电性粘贴框架元件以与基片的边缘平面接触的方式定位于第二集电片材上定位，形成沿着电池外部的密封的附加部分；
提供至少一个冷却通道，其延伸通过基片、粘贴框架元件、隔板框架以及位于其间的任何粘合剂从而形成延伸穿过电池的冷却管道。
20.根据权利要求19的方法，其中导电材料是焊膏。
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