CN102428597A - 用于电池的电极板 - Google Patents

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Abstract

用于电池的电极板包括以板栅形式的多个电极，其中所述板栅限定多个空间。设置在所述空间中的糊具有顶表面和底表面。所述糊在所述空间中变窄，限定小于所述电极上板的厚度的在所述糊的顶表面和所述糊的底表面之间的距离。在所述糊的顶表面和/或底表面上盖印多孔织物的保持层。电解质设置成与所述电极电连通。

Description

用于电池的电极板
技术领域
本发明涉及铅酸电池、用于铅酸电池的板的结构以及其制造方法的领域。
背景技术
常规地，铅酸电池包括正极板和负极板，所述正极板和负极板浸渍在电解质中并且密封以制成电池。所述板各自由基本上两种要素构成。这两种板要素包括板栅(格栅，grid)，例如图1中所示的板栅，其为导电材料例如铅。该板栅包括电极。通过将该板栅嵌入作为在稠度方面粘土状的材料并且导电的糊中而完成该板。该正极活性材料(PAM)或负极活性材料(NAM)填充板栅线或电极之间的空间。在填充有糊时，这些空间称作芯块(pellet)。将电极板栅埋在所述糊中还在电极的顶部和底部两者之上建立薄的糊层。当此后固化和浸渍在电解质中时，所述糊产生在电极和电解质之间的电活性通道。接近于所述电极，所述糊的该电活性是高的，并且随着离电极的距离增加而明显降低。在常规的现有技术板结构中，距离电极最远的芯块中央的电活性明显低于紧邻所述电极的固化糊。
图2a描绘了典型的正极板现有技术结构。其显示图1中所示的板栅的横截面。电极12嵌入糊14中，形成板。然后将所述板装配在电池中，使得其被电解质16包围。如在图2b中最佳看见的，该结构在电极12和电解质16之间产生高电活性区域，该区域以18表示。然而，该现有技术结构还产生低电活性区域20。所述低电活性区域20使电池重量增加而未使功率或容量增加，并且就此而言是实际上浪费的空间。
然而，该结构具有两个优点。首先，其容易制造。其次，其坚固到足以抵抗在装配期间的破裂和在电池使用的反复循环期间的开裂。因此，为了结构强度、简单和制造方便，性能受损。
发明内容
本发明为电极板设备和制造方法，其保持电极和电解质之间电活性糊足够小的厚度以通过消除处于各芯块中央的空间中效率较低的活性材料糊的区域而保持高的电活性。本发明对当前普遍的制造技术进行补充，用于较高性能的结构的较低成本的实施。
在本发明的一个方面中，用于电池的板包括配置为板栅的多个电极。所述板栅限定多个空间。在所述空间的每一个内设置糊，并且所述糊可在包括所述板栅的电极的顶表面上方和在包括所述板栅的电极的底表面的下方延伸。使所述糊在基本上处于所述多个空间的每一个的中央的位置窝陷(dimple)或凹进(indent)，使得所述糊在所述空间内较窄和在所述板栅的电极处较厚。在所述糊的顶表面中引入保持层且可在所述糊的的底表面中引入第二保持层。在本发明的一个方面中，所述保持层可由玻璃纤维或者聚烯烃例如聚乙烯、聚丙烯或聚酯构成。
在本发明的另一方面中，所述电极包括插入在例如由铅构成的电极板栅和所述电活性糊层之间的碳泡沫层。在这样的实施方式中，所述碳泡沫可在固化、构造且排列为负极板的板中引入和可在固化、构造且排列为正极板的板中单独地插入。在本发明的另一方面中，仅在正极板中引入该具有保持层的变窄的结构。
本发明的另一方面是制造以上结构的方法。根据本发明的方法，根据已知技术对电极板栅进行涂浆。之后，使新涂浆的电极板栅在辊之间前进，所述辊的至少一个构造为使在板栅的电极之间的空间凹进。有利地，所述保持层可通过如下固定至所述经涂浆的板的顶表面和/或底表面：随着所述涂浆的板在辊之间前进，在所述涂浆的板和所述辊的一个或两个之间插入玻璃纤维或聚烯烃材料层。之后可根据已知技术实施与保持层装配在一起的如此涂浆的板的固化。
因此，本发明的正极板的结构为“用垫料填塞的(quilted)”，使得凹进处、变窄处或孔基本上建立在各芯块的中央，以便变窄的空间或孔可填充有电解质，从而实现性能的有利提高。所述保持层有利地对整体结构进行增强。
由下文中提供的详细描述，本发明适用性的进一步领域将变得明晰。应理解，所述详细描述和具体实施例虽然表明本发明的优选实施方式，但是其仅用于说明目的并且不意图限制本发明的范围。
附图说明
由所述详细描述和附图，本发明将变得被更充分地理解，其中：
图1是电极板栅的图。
图2A是现有技术电极板的横截面。
图2B是现有技术电极板的横截面。
图3是描绘了电解质的本发明的电极板的横截面。
图4是显示保持层的本发明的横截面。
图5是实施本发明方法的装配设备的横截面。
具体实施方式
优选实施方式的以下描述在本质上仅是示例性的并且绝不意图限制本发明、其应用或用途。
图3是本发明的正极板的结构的横截面。其中显示电极112。它们完全被活性材料糊114包围并且嵌入在活性材料糊114中。然而，板栅之间的区域120具有变窄厚度的活性材料糊或者根本不具有活性材料糊，从而包括孔124。
图3描绘正极板在装配到电池中之后的结构。因此，可看到液体电解质116包围板结构。已经制造具有变窄的芯块中央或孔120的板，在装配时，电解质进入这些空间。明显的是，已经消除了在现有技术结构中成为低电活性区域(图2B中的20)的空间。孔120留下的空间现在被电解质116填充，意味着电解质现在处于促进与电极的高的离子交换、以及电极之间的高的电活性的距离内。电解质到各电极的侧面、以及在各电极的顶部和底部上。因此，高电活性区域的表面积扩大。糊的高电活性部分的体积的扩大、以及电极被电解质包围使得在各电极周围始终保持高活性距离，导致电池中更大的电活性和更高的性能。
图4描绘包括保持层的本发明的电极板。如前所述，电极112被糊114包围。使电极112之间的芯块或空间相对于在电极处测量的板的厚度变窄。这些变窄处可包括糊的窝陷或窄部分122。或者，所述变窄处可包括通孔124。电极与糊的组合可简单地包括直接被活性材料糊114包围的电极112。或者，所述电极可邻近地与碳泡沫118结合并且之后嵌入到糊114中。
本发明进一步包括顶部保持层130和/或底部保持层132。所述保持层为多孔材料，例如纺织物。在其中所述变窄处为通孔124的实施方式中，顶部保持层130和底部保持层132可在通孔124中彼此接触。
所述保持层可由各种材料制成。它们可薄至千分之二英寸厚或2密耳，例如采用聚乙烯膜。在这样的薄的材料中的孔隙率可低至40％，而不损失本发明结构的有利效果。相反，保持层的厚度可更大，例如大到约1毫米，这例如可为使用纺织材料的情况。在所述保持层由较厚材料构成的情况下，较高的孔隙率是有利的。例如，基本上为约1毫米厚的保持层有利地具有基本上约85％或更高的孔隙率。在具有较厚例如约1毫米厚的保持层的实施方式中，本发明将涵盖由这样的具有较厚保持层的板构造和排列的电池，该电池将省略在板之间的隔板。
所述保持层可由如下构成：玻璃纤维；或者包括聚乙烯、聚丙烯的聚烯烃或聚酯的类别中选择的物质。这些保持材料的存在有利地对整体板组件进行增强，使得其可构造和排列在电池中而不破裂。所述保持材料还对在电解质材料(典型地，酸例如硫酸)中的溶解具有耐受性。因此，在电池的安装之后，保持材料130和132进一步使所述板组件坚韧，使得电池经过多个充电和放电循环仍然是耐用的。在所描绘的实施方式中，相对于所述电极在所述保持层之外基本上不存在电活性糊。
本发明的方法包括：产生变窄处或孔120，和添加保持层130、132。如当前普遍的制造技术已建立进行的那样，这在将电极板栅112包裹在活性材料糊114中的第一步骤中实现的。在本发明的制造技术中，下一步骤是在各电极112之间、优选基本上在芯块的中央产生窝陷、变窄处或孔。这在所描绘的实施方式中使用具有凸起部(boss)152的辊150实现。由电极112和活性材料糊114构成的正极板进入辊组件，由此预先配置有合适尺寸的凸起部咬合电极112之间的糊并且使其凹进。所述凹进可为部分或完全的。如果是完全的，则最终结果为孔124。
在本发明的另一工艺步骤中，将至少一个保持层130和/或132盖印(impress)到电活性材料糊114的顶表面和/或底表面上。在所描绘的实施方式中，可与所述板在辊之间的前进同时地将保持层提供到所述辊之间的空间中。因此，在芯块中使变窄处120凹进的该相同的工艺步骤也将所述保持层盖印到所述糊的顶表面和/或底表面上。该工艺步骤处的所述糊是足够塑性的以将所述保持材料接收和保持在其表面上，使得所述保持层粘在那里并在固化期间和最终在电池中的使用期间保持附着。
在下一步骤中，将包括凹进的或有孔的芯块的电极板干燥、固化并固结(solidify)为正极板或负极板。然后，将所述板装配到电池中。在装配中，电解质将进入板栅电极112之间的凹进或孔120的空间，从而产生通过本发明成为可能的有利构造。
在一个实施方式中，根据本发明制造的电池可具有引入到电极板中的碳泡沫。复合材料或碳泡沫可直接一对一替换通常构成电极的铅。或者，复合材料或碳泡沫材料可散布在铅芯和糊之间例如在图4中所示的区域118中。本发明的结构和组成可仅引入到正极板中、负极板中或者两者中。
使用本发明，以提高的电活性和提高的容量的形式以令人惊讶的高水平提高性能。当与引入碳泡沫材料的电极组合使用时，这是特别正确的，所述碳泡沫材料例如美国专利No.6,979,513B2(在本文中引入作为参考)和美国专利No.7,033,703B2(也在本文中引入作为参考)中所公开的。因此，根据本发明的板结构可有利地与碳泡沫组合使用，所述碳泡沫包括孔网络，所述孔网络设置成使得化学活性糊可穿透所述孔。所述碳泡沫可有利地具有至少60％的总孔隙率值、至少90％的开孔率值、小于约1Ω-cm的电阻率值和/或可有利地具有小于约0.6g/cm3的密度。所述碳泡沫材料可由如下组成或包括如下：石墨泡沫、碳化木材或石墨化木材。碳泡沫的引入可包括可具有或可不具有导电性质的中间结合结构。可用于在整个板中或者在极耳处使所述碳泡沫材料与铅板栅结合的所述中间结合结构可由金属或聚合物例如聚丙烯构成。所述碳泡沫材料可有利地具有约0.25mm～约2.0mm的平均孔尺寸。
本发明的结构和材料还可有利地以双极电池配置来构造和排列，其中根据本发明构造的板的一侧的凹进可与双极电池膜接触。在另一实施方式中，板与双极电池膜接触的侧可为其上引入本文中公开的凹进的唯一侧。
由于可对如以上参照相应的图描述的示例性实施方式进行各种改进而不脱离本发明的范围，因此意图在前述描述中包含的和在附图中显示的所有内容应被解释为说明性而不是限制性的。因此，本发明的外延和范围不应受任何上述示例性实施方式的限制，而是应仅根据所附权利要求及其等价物限定。

Claims (43)

1.用于电池的电极板，包括：
配置为板栅的多个电极，所述板栅具有厚度；
设置在所述板栅的所述电极之间的多个空间；
设置在所述空间中的糊，所述糊具有顶表面和底表面；
在所述空间中的所述糊的变窄处，所述变窄处限定所述顶表面和所述底表面之间的距离，所述距离小于所述厚度；
附着至所述顶表面或所述底表面的至少一个上的保持层，在所述保持层与所述电极相反的一侧上基本上没有所述糊；
由此在装配时，电解质可进入由所述变窄处限定的在所述电极之间的区域。
2.权利要求1的板，进一步包括：所述板为正极板。
3.权利要求1的板，进一步包括：所述保持层为多孔的。
4.权利要求3的板，进一步包括：所述保持层的孔隙率基本上为约60％或更高。
5.权利要求1的板，其中所述保持层具有约千分之二英寸～约千分之十英寸的厚度。
6.权利要求1的板，其中所述保持层具有最高达约1毫米的厚度。
7.权利要求1的板，其中所述保持层具有千分之十(千分之十一)英寸或更小的厚度和40％或更大的孔隙率。
8.权利要求1的板，其中所述保持层具有最高达约1毫米的厚度和85％或更大的孔隙率。
9.权利要求1的板，进一步包括：所述保持层为纺织的。
10.权利要求1的板，进一步包括：所述保持层由选自玻璃纤维、聚乙烯、聚酯和聚丙烯的材料构成。
11.权利要求1的板，进一步包括：所述保持层附着在对应于所述电极的基本上全部的区域中。
12.权利要求1的板，进一步包括：所述保持层保持与在所述变窄处内的所述糊的所述顶表面或所述底表面之一接触。
13.权利要求1的板，进一步包括：所述变窄处为通孔。
14.前一权利要求的板，其中顶部保持层和底部保持层在所述通孔中彼此接触。
15.权利要求1的板，进一步包括：所述电极引入碳泡沫。
16.权利要求1的板，进一步包括：所述电极为碳泡沫。
17.权利要求1的板，进一步包括：所述厚度包括所述电极上方的糊层。
18.电池，包括：
至少一个正极板；
至少一个负极板；
所述板浸渍在电解质中；
进一步包括：所述板的至少一个包括：
配置为板栅的多个电极，所述板栅具有厚度；
设置在所述板栅的所述电极之间的多个空间；
设置在所述空间中的糊，所述糊具有顶表面和底表面；
在所述空间中的所述糊的变窄处，所述变窄处限定所述顶表面和所述底表面之间的距离，所述距离小于所述厚度；
附着至所述顶表面或所述底表面的至少一个上的保持层，在所述保持层与所述电极相反的一侧上基本上没有所述糊；
所述电解质在由所述变窄处限定的在所述电极之间的区域中。
19.权利要求18的电池，进一步包括：所述保持层是多孔的。
20.权利要求19的电池，进一步包括：所述保持层的孔隙率基本上为约60％或更高。
21.权利要求18的电池，进一步包括：所述保持层为纺织的。
22.权利要求18的电池，进一步包括：所述保持层由选自玻璃纤维、聚乙烯、聚酯和聚丙烯的材料构成。
23.权利要求18的电池，进一步包括：所述保持层附着在对应于所述电极的基本上全部的区域中。
24.权利要求18的电池，进一步包括：所述保持层保持与在所述变窄处内的所述糊的所述顶表面或所述底表面之一接触。
25.权利要求18的电池，进一步包括：所述变窄处为通孔。
26.权利要求18的电池，进一步包括：所述电极引入碳泡沫。
27.权利要求18的电池，进一步包括：所述电极为碳泡沫。
28.权利要求18的电池，进一步包括：所述电极为铅并且所述电解质为硫酸和水的溶液。
29.权利要求18的电池，进一步包括：所述厚度包括所述电极上方的糊层。
30.权利要求18的电池，其中所述保持层具有千分之十(千分之十一)英寸或更小的厚度和至少约40％的孔隙率。
31.权利要求18的电池，进一步包括：所述保持层具有最高达约1毫米的厚度和约85％或更大的孔隙率。
32.权利要求18的电池，其中构造和排列所述板使得在第一板和邻近的板之间没有隔板。
33.制造用于铅酸电池的电极板的方法，包括：
对电极板栅进行涂浆；
使所述电极之间的由所述板栅限定的空间凹进，使得在所述凹进处中糊较窄，与在所述电极上所述糊是厚的相比；
在所述糊的顶表面或底表面的至少一个上盖印保持层，使得在所述保持层与所述电极相反的一侧上基本上没有所述糊；
使得在装配时，电解质可进入由所述变窄处限定的在所述电极之间的区域。
34.权利要求33的方法，进一步包括：所述板为正极板。
35.权利要求33的方法，进一步包括：所述保持层为多孔的。
36.权利要求33的方法，进一步包括：所述保持层的孔隙率基本上为约85％或更高。
37.权利要求33的方法，进一步包括：所述保持层为织物。
38.权利要求33的方法，进一步包括：所述保持层由选自玻璃纤维、聚乙烯、聚酯和聚丙烯的材料构成。
39.权利要求33的方法，进一步包括：所述保持层附着在对应于所述电极的基本上全部的区域中。
40.权利要求33的方法，进一步包括：所述保持层保持与在所述变窄处内的所述糊的所述顶表面或所述底表面之一接触。
41.权利要求33的方法，进一步包括：所述变窄处为通孔。
42.权利要求33的方法，进一步包括：所述电极引入碳泡沫。
43.权利要求33的方法，进一步包括：所述凹进步骤和所述盖印步骤是基本上同时的。
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