CN102484278B - 组装双极电池的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于将双极电池的两个元件密封在一起的方法，所述方法包括：将感应加热元件插入两个元件之间，向所述感应加热元件施加电流以生成局部的热来熔化所述加热元件附近的材料，从而将所述两个元件密封在一起。
Description
技术领域
本发明涉及将双极电池的两个元件密封在一起的方法。具体地，本发明涉及将两个框架元件密封在一起的方法，每个框架元件支撑用在双极电池中的双极电极。本发明还涉及将双极基板与用于支撑用在双极电池中的双极电极的框架密封在一起的方法。本发明还涉及双极电池。
背景技术
双极电池是本领域已知的。电池包括串联连接的多个双极基板或双极基板的组合件。双极基板组合件的一端是阳性单极。双极基板组合件的另一端是阴性单极。双极基板包括电极。在双极铅酸电池的情况中，除了每端的单极以外，每个电极具有覆盖有多孔铅的电极的一侧(该侧为双极电极的阴极侧)，以及覆盖有多孔二氧化铅的另一侧(阳性)。电极可由，例如Ebonex TM陶瓷形成。任选地，在施加浆料之前将薄层金属施加到电极。使用中，电流以均一的电流密度垂直于电极表面流经电极。
通常，双极基板在塑料框中被保持在一起。密封双极基板是在实验室中通过使用具有合适厚度且由例如丁基、硅酮或热塑性弹性体橡胶片制成的垫圈来实现的。整个组合件通过适当长度的金属带和栓保持在一起。在市售电池中，通常基板被密封到具有用于每个基板的插槽的预成型塑料容器中。然后以常见方式电化成电池(参见例如国际专利申请号PCT/GB2006/001504)。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的制造或组装电池的方法。
本发明人已发现双极基板的组合件可通过将每个双极基板支撑到塑料框架中而接合在一起。然后使用粘合剂将塑料框架接合并密封在一起。
然而，该方法有许多局限性。首先，确保使用足够的粘合剂以在框架周围形成完整密封是至关重要的。当框架被压缩到一起时，一些粘合剂从接合处被挤压出来并挤到所形成的组合件的表面上。这种不雅观的粘合剂在进一步的清洁步骤中被去除，以形成组装的双极基板和电池。该方法的另一缺点在于粘合剂昂贵。
容纳双极基板的塑料框架被以气密的方式密封在一起是重要的。将空气引入电池中会导致电气自放电。而且，密封电池以使酸性电解质可添加到双极电极之间也是重要的。
之前，双极基板自身已使用粘合剂而被密封到框架中。这有着与上文概述的那些类似的缺点，即，确保使用足够的粘合剂以在基板和框架之间形成完整的密封是至关重要的。过多的粘合剂必须在进一步的清洁步骤中被去除，以形成组装的双极基板和框架。该方法的另一缺点在于粘合剂昂贵。
在本发明的第一方面中，提供一种将双极电池的两个元件密封在一起的方法，所述方法包括：
将感应加热元件插入所述两个元件之间；
向所述感应加热元件施加电流，以生成局部的热来熔化所述加热元件附近的材料，从而将所述两个元件密封在一起。
在本发明的一个实施方案中，提供一种将两个框架元件密封在一起的方法，所述两个框架元件各自支撑用在双极电池中的双极电极，所述方法包括：
将感应加热元件插入所述两个框架元件之间；
向所述感应加热元件施加电流，以生成局部的热来熔化所述加热元件附近的材料，从而将所述两个框架密封在一起。
在本发明的第二方面中，提供一种双极电池，其包括通过感应加热焊接在一起的多个元件。
在一个实施方案中，提供一种双极电池，其包括通过感应加热焊接在一起的多个框架元件。
感应加热元件可为独立于待密封在一起的双极电池的两个元件中任一个的组件，例如独立于两个框架元件中的任一个。作为替代方案或者另外的方案，感应加热元件可形成待密封在一起的双极电池的两个元件中的至少一个(例如框架元件)的一体式部分。感应加热元件可由单一连续件来形成，或者在为丝的情况中通过点焊或将两个丝端扭曲到一起而接合成环。这样的丝的两端例如可通过冷锻或激光焊接而接合在一起。感应加热元件可由多个件形成，所述多个件布置为使它们彼此接触以允许电流绕整个元件流动。
感应加热元件可置于待密封在一起的两个元件(优选为框架元件)的每一个上。或者，可以使用单个加热元件来将两个元件(优选为框架元件)密封在一起。
可使用任意合适的感应加热元件。
感应加热元件可包括一种或更多种金属，优选为铁磁性材料。金属可包括铁、钢、铜、铅、锡和铝中的一种或更多种。金属可包括合金。
更优选地，感应加热元件包括碳钢。还要更优选地，感应加热元件包括铅。铅是尤其优选的，因为如果其与电池电解质接触的话，其将不污染电池电解质。铅还容易成型并接合到一起。
感应加热元件可包括掺杂有铁磁性陶瓷的塑料。
感应加热元件可为丝、平坦金属带或适当掺杂的聚合物绳的形式。本发明人已发现，使用金属丝是实施本发明的最经济的方法。
将理解，可使用不同厚度的丝。优选地，丝具有从2cm到0.1mm的厚度，更优选从1.2cm到0.5mm或从1cm到0.5mm的厚度，最优选地，丝具有1mm或0.8mm的直径。
优选地，感应加热元件包括具有0.8mm直径的碳钢丝。这样的丝是可商业获得的。
更优选地，感应加热元件包括具有大致为1mm直径的铅丝。这样的丝是可商业获得的。
待密封在一起的双极电池的两个元件可为两个框架元件，每个框架元件支撑用在双极电池中的双极电极。作为替代方案或另外的方案，待密封在一起的元件之一可为双极基板，并且另一个元件可为用于支撑用在双极电池中的双极电极的框架。
将理解，本发明的方法可用来通过感应手段将双极基板与框架密封在一起，随后通过将两个框架元件密封在一起，两个框架元件的每一个支撑用在双极电池中的双极电极。或者，这些组件的密封可同时进行。
优选地，待密封在一起的两个元件(例如两个框架元件)具有互锁构造。这是优选的，因为互锁构造有助于元件(例如框架)保持在一起，并且其帮助确保在元件(例如框架)之间形成气密性密封。通常，当两个框架密封在一起时，框架在其每一侧具有互补的凸出部(tongue)和凹槽构造，以便两个毗邻框架可彼此互锁。当基板与框架密封在一起时，基板与框架也可设计为具有互补的凸出部和凹槽构造，使得它们可彼此互锁。
在本发明的一个实施方案中，被感应加热元件熔化的材料形成待密封在一起的双极电池的两个元件中的至少一个的一体式部分。
在另一实施方案中，被感应加热元件熔化的材料包括最初为独立于待密封在一起的双极电池的两个元件(例如两个框架元件)中的任一个的组件的材料。额外的材料可被视为牺牲材料，其被附加到元件(例如框架)。该材料将选择为具有合适的熔化温度，以使其可被所选的感应加热手段熔化。优选地，该材料包括热塑性材料。
被感应加热元件熔化的材料可包括与元件(例如框架元件)主体不同的材料，或者其可包括与元件主体相同的材料。
优选地，当待密封在一起的两个组件是框架元件时，使框架元件经受从0.2到8巴，更优选从1到3巴范围内的压缩力。更优选地，使框架元件经受从0.5到3巴，更优选从1到2巴范围内的压缩力。使用压缩的同时将框架感应焊接在一起帮助确保框架以气密性的方式密封在一起。
优选地，当待密封在一起的两个元件是双极基板和框架时，使两个元件经受从0.2到8巴范围内的压缩力。更优选地，使两个元件经受从0.5到3巴，更优选从1到2巴范围内的压缩力。使用压缩的同时将双极基板与框架感应焊接在一起帮助确保两个元件以气密性的方式密封在一起。
优选地，待密封在一起的元件中的至少一个包括热塑性材料。优选地，元件中的至少一个包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/聚碳酸酯或它们的共混物。当元件是框架元件时，优选地其还包括玻璃纤维，所述玻璃纤维增强框架。
优选地，感应加热元件围绕整个框架，使得在加热时形成气密性密封。
电流可通过用感应线圈围绕框架而被施加到感应加热元件。然后将线圈连接到感应发电机。例如，TruHeatRTM HF1005(5-450)可用作感应发电机。
可使用一个感应线圈来将元件(例如框架)焊接在一起。通常，多个元件(例如框架)将被一次焊接在一起。可使线圈自动化并控制其沿元件(例如框架)堆移动，从而将它们彼此密封。或者，可使用多重感应线圈，使得一次将多个元件(例如框架)密封在一起，而无需使线圈相对于框架移动(或者反之亦然)。
本发明人已发现，针对给定时间优选使用低频/电流提供最佳结果。例如，100到300、100到275kHz，优选150到250kHz的频率范围，以及10到30Amps，优选12到20Amps的电流。针对两秒每次密封，合适的条件包括200kHz/15Amps。
本发明人已发现，在将两个元件密封在一起的方法中使用高频(例如高于300kHz、高于325kHz，或高于350kHz)是不利的。这是因为在高频时，电磁场穿透电池堆深处，并且对双极电极具有不利影响。例如，实验已显示，使用高频来将两个框架密封在一起不利地影响双极电极中存在的基板的铅箔部分。这种不利影响可通过使用低频率而得以减小或减轻。
不希望受任何具体理论的束缚，据认为，使用低频感应焊接(即，300kHz或以下，优选小于275kHz，或小于250kHz)产生双重加热(涡流)，其中加热元件中的电阻生成热。高频感应焊接产生迟滞加热，其导致生成热的磁滞损耗。
本发明人已发现，当在包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的框架上使用高频和电流(例如高于300kHz，或高于350kHz和30Amps)时，观察到框架扭曲。而且，如果在双极电极上存在金属箔的话，则需要小心，以减小或避免因由感应加热生成的热而造成的箔起泡。
如果感应线圈的设定太低，则不能生成足够的热以在两个元件(例如框架)之间形成密封。如果设定太高，如上文概述的，框架可能扭曲，和/或在电极中或电极上存在的任何材料可能受损。
因此感应线圈的设定选择为充分加热框架来确保将两个组件焊接在一起，而不损坏基板、框架或其内容物。
已发现特别有用的设定为：17.5Amps，得到针对2秒每次密封为175kHz的频率。
已发现特别有用的其他设定为：15Amps，得到针对2秒每次密封为200kHz的频率。
本发明还包括双极电池，该双极电池包括通过感应加热而焊接在一起的多个元件。双极电池可包括多个框架元件，每个框架元件支撑通过感应加热焊接在一起的双极电极，和/或其可包括通过感应加热焊接在一起的多个双极基板和框架元件。
在一个实施方案中，本发明包括双极电池，该双极电池包括通过感应加热焊接在一起的多个框架元件。
优选地，框架元件各自支撑双极电极。双极电极优选在电极的一侧上涂覆有负极膏(通常为多孔铅)，并在电极的另一侧上涂覆有正极膏(通常为多孔二氧化铅)，以用在双极铅酸电池中。
电池组合件的每一端均为单极。
为了将用于双极电极的基板与用于支撑用在双极电池中的双极电极的框架密封在一起，基板可形成有包括热塑性材料的凸缘。在一个实施方案中，提供一种包括至少一部分的热塑性材料的基板，或将在感应加热时熔化以与框架形成密封的其他组件。热塑性材料的凸缘或一部分可设计为使其具有适当的大小和形状，以与框架互锁。框架也可包括在框架与基板在双极电池中的合适位置相遇处附近的区域中的热塑性材料。感应加热元件可形成基板或框架元件的一体式部分。作为替代方案或另外的方案，感应加热元件可为独立部件，其在感应焊接之前置于基板与框架之间。优选地，热塑性材料是丙烯腈丁二烯(ABS)。
可以将热塑性材料如丙烯腈丁二烯(ABS)的带嵌入边缘周围，或在基板的边缘附近，以形成连续的或基本上连续的热塑性材料带。
如本文描述的用于双极电池的基板通常由低价氧化钛颗粒(EbonexTM颗粒)与树脂的混合物形成。这样的基板和形成它们的方法在本领域是公知的，参见例如US4422917。也将理解，这样的基板可在电极的一侧上涂覆用在双极铅酸电池中的负极膏(通常为多孔铅)，和/或在电极的另一侧上涂覆正极膏(通常为多孔二氧化铅)。基板可在其被焊接到框架中之前或之后涂覆。
由此，本发明包括将用于双极电池的基板密封到用于支撑双极电极的框架，其中基板至少部分涂有负极和/或正极膏(通常称作板极，或涂膏基板)。或者，基板可不涂膏。
附图说明
现在将参考以下附图，仅以举例的方式进一步描述本发明，其中：
图1：示出组装电池的图，并且电池使用置于每个框架之间的丝来形成。
图2：示出显示包括丝作为感应加热元件的两个框架的接合处的详细横截面。右侧的图示出接合点的详细横截面。A描绘金属加热丝。B示出凸出部在凹槽中的接合点。
图3：示出用于框架到框架焊接的感应密封机的图。C示出对准引导。D是压缩汽缸。E是48V电池组。F是感应线圈。
图4：示出的是通过框架与包括丝作为感应加热元件的基板的感应焊接所产生的接合处的照片。G是热塑性框架。H是感应元件，例如铅丝。I是热塑性接合处。J是基板。K是基板的热塑性部分。
具体实施方式
如图3中所示，感应线圈可以布置为使得在启动发电机时，预装的程序控制线圈运动。然后线圈可沿电池或框架堆向上行进，穿过框架，并且导致热生成。这种热生成的原因是线圈被产生电磁场的射频电流通电。电磁场的涡流作用于感应加热元件，并且因电阻而生成热。结果，经加热的感应加热元件可导致框架与框架的接合处熔融。在电池堆上的压缩力导致每个框架上熔融的塑料熔合在一起。冷却时，这产生受控的焊接接合和防泄漏密封。
Claims (18)
1.一种将双极电池的两个元件密封在一起的方法，所述方法包括：
将感应加热元件插入所述两个元件之间；
向所述感应加热元件施加电流以生成局部的热来熔化所述加热元件附近的材料，从而将所述两个元件密封在一起，
其中所述电流是小于275kHz的低频电流。
2.权利要求1所述的方法，其中待密封在一起的所述双极电池的所述两个元件是两个框架元件，每个框架元件支撑用在双极电池中的双极电极。
3.权利要求1所述的方法，其中待密封在一起的所述双极电池的所述元件中的一个是用于双极电极的基板，并且待密封在一起的所述双极电池的另一个元件是用于支撑用在双极电池中的双极电极的框架。
4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述感应加热元件是独立于待密封在一起的所述双极电池的所述两个元件中任一个的组件。
5.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述感应加热元件形成待密封在一起的所述双极电池的所述两个元件中的至少一个的一体式部分。
6.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述感应加热元件包含金属。
7.权利要求6所述的方法，其中所述金属包含金属丝。
8.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述感应加热元件包含掺杂有铁磁性陶瓷的塑料。
9.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述两个元件具有互锁构造。
10.权利要求中1至3任一项所述的方法，其中被所述感应加热元件熔化的所述材料形成待密封在一起的所述双极电池的所述元件中的至少一个的一体式部分。
11.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中待密封在一起的所述双极电池的所述元件中的至少一个包含热塑性材料。
12.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述电流是小于250kHz的低频电流。
13.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述电流是在150至250kHz范围内的低频电流。
14.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述电流是10至20Amps的电流。
15.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述电流是12至20Amps的电流。
16.一种双极电池，其包含通过感应加热焊接在一起的多个元件，其中焊接在一起的所述元件是框架元件，每个框架元件支撑用在双极电池中的双极电极，和/或所述元件包括用在双极电池中的用于双极电极的基板和用于支撑双极电极的框架，其中所述多个元件是使用小于275kHz的低频感应焊接而焊接在一起的。
17.权利要求16所述的双极电池，其中所述元件具有互锁构造。
18.一种双极电池，其包含通过权利要求1至11中任一项限定的方法密封在一起的元件。
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