CN102884669A - 轻量双极阀调节铅酸电池及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻量VRLA电池，该VRLA电池包括由非导电的优选的塑料框架支撑的薄铅衬底，其提供结构稳定性以适应双极组件的压力和应力。在特别优选的电池中，塑料框架是激光焊接在一起，以及幻影格栅和电极材料联接铅板的各个侧面。在幻影格栅是超薄铅格栅的情况中，铅格栅优选地构造为提供小于10次充电-放电循环的腐蚀保护，并且以槽内成型方法充电双极组件。在幻影格栅是非导电格栅的情况中，铅格栅优选地是塑料格栅，并且以容器内成型方法充电双极格栅。因此，显著地降低重量、容量和生产成本，同时充分提高比能。

Description

轻量双极阀调节铅酸电池及其方法

相关申请

本申请要求2010年3月5日提出申请的序列号为61/310,847的美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明的领域涉及铅酸电池和其制造方法，具体地涉及阀调节铅酸（VRLA）电池。

背景技术

电池性能和电池制造的经济性日益增长的需求和电池技术方面的最近进展已经提供新的动力开发和生产双极铅酸电池。然而，尽管对结构和方法进行了不同的改进，但是在衬底和集流体的制造方面仍存在许多基本问题。而且，尽管双极电池设计方面有不同的改进，但是相对大量的金属铅在制造和反复充电/放电循环期间仍需要保持稳定性。

例如，本领域中已知的是，将纯铅格栅和纯铅板焊接在一起，形成美国专利3,806,696中描述的具有相对较低内阻抗和至少稍微增加的抗氧化与抗腐蚀性的复合集流体结构。本文中所描述的这些和所有其他非本征材料的整个内容均以参考方式包括进本发明。在参考文献中引用的术语的定义或用法与本文中提供的术语的定义不一致或相反时时，本文中提供的术语定义适用和参考文献中的术语定义不适用。

然而，在这些电池易受电池充放电总数影响下，形成将作为绝缘体的PbSO₄/PbO_x层，因此导致过早地出现电池性能损失。或者，可以不同的铅合金（例如，铅-钙合金）和美国专利6,620,551中所示的纯铅板避免形成绝缘层。不幸的是，因为在大多数情况下将导电格栅层压为铅板，所以分层将最终降低这些电池的寿命。而且，无论铅格栅材料是哪种类型，由于具有导电格栅使得电池增加了大量重量。

相似地，在衬底是铅板或涂有铅的板的情况下，从一个电池渗漏电解质通常是不可避免的，并且将使得电池内部出现短路。通过相同的方式，将双极元件组装进双极电池组依然存在困难。例如，利用某些密封剂或密封装置堆叠和密封电池是已知的。尽管这些方法趋向于增加制造过程中的复杂性，但是这些方法仍提供不理想的结果，尤其是电池运行超过许多周期的情况下。为了克服与已知的密封剂或密封装置相关联的至少某些问题，可以挤压双极，从而改善间隙的密封性。然而，压缩过量将不利地影响电池性能。

因此，即使本领域中已知铅酸双极电池的许多装置和方法，但是所有或几乎所有装置和方法均因这些劣势受到损害。因此，仍需要提供改进的铅酸双极电池和生成方法。

发明内容

本发明的主题是铅酸电池的不同方法和装置，尤其是重量大量降低、比能增加、和制造过程简化的VRLA电池。在特定优选的方面，在构造双极过程中的金属铅的总量降低，在某些情况下，当通过在衬底框架边缘提供增强胶粘剂和通过将框架依次激光焊接成双极堆避免电解质渗漏时，甚至完全消除正的侧面集流体。

在本发明主题的一个方面中，双极电极组件包括限定第一窗口的第一非导电框架，其中第一框架焊接或粘合限定第二窗口的第二非导电框架。然后，铅箔联接第一框架和第二框架，以便于分别通过第一窗口和第二窗口可以可进入铅箔的相对的第一侧面和第二侧面。在特别优选的方面中，第一和/或第二非导电框架进一步包括增强胶粘剂（优选地布置在沟道中），其包括粘度调节剂（例如，气相二氧化硅粉末）和/或联接剂（例如，硅烷），因此增强胶粘剂设置在铅箔与第一和/或第二非导电框架之间。在预期的组件中，第一幻影格栅联接正电极材料，其中第一幻影格栅和正电极材料均位于第一窗口中，并且能导电地联接铅箔的第一侧面。同样地，第二幻影格栅联接正电极材料，其中第一幻影格栅和负电极材料均位于第二窗口中，并且能导电地联接铅箔的第二侧面。

最优选的是，第一和第二非导电框架是激光焊接在一起的和/或铅箔是厚度小于0.2mm的铅锡合金。为了进一步降低组件的重量，一般优选的是，幻影格栅或幻影格栅中的一个是由非导电材料制造的或由铅或铅合金（在这种情况下，幻影格栅一般提供充电-放电循环总数小于10和甚至小于5的腐蚀保护）制造的。应当进一步理解，正电极材料可以是（干燥和硬化的）正的活性材料，负电极材料可以是（干燥和硬化的）负的活性材料，或者正电极材料和负电极材料均是氧化铅膏体。

在多个组件堆叠在一起并且联接负端接线柱和正端接线柱的情况中，形成双极电池组件，然后可以利用合适的外罩部件封闭该组件或将该组件封装（通常是热塑性封装）在聚合体中。

在本发明主体的另一个方面中，用于阀调节的铅酸电池的铅酸电池双极将包括联接正极活性材料、负极活性材料、或氧化铅膏体的幻影格栅，其中正极活性材料与幻影格栅的重量比小于等于0.50，更常见的是小于等于0.40，以及最常见的是小于等于0.25。在理想的情况下，可以清洗和干燥正极活性材料或负极活性材料。

还是在本发明主题的另一个方面中，阀调节的铅酸电池将具有在完全放电情况下小于等于10g/Ah金属铅和/或铅合金含量和至少45Wh/kg比能含量，更优选地，具有小于等于6.0g/Ah金属铅和/或铅合金含量和至少54Wh/kg比能含量。

因此，设计一种制造双极电极组件的方法，其包括将具有相对的第一侧面和第二侧面的铅箔设置在第一非导电框架和第二非导电框架之间，其中第一非导电框架限定第一窗口，第二非导电框架限定第二窗口。在另一个步骤中，增强胶粘剂设置在铅箔和第一非导电框架与第二非导电框架中至少一个之间，其中增强胶粘剂包括粘度调节剂（例如，气相二氧化硅粉末）和/或联接剂（例如，硅烷）中至少一个，以及在另一个步骤中，第一框架激光焊接第二框架，以便于通过第一窗口和第二窗口可以分别进入铅箔的第一侧面和第二侧面。仍然在另一个步骤中，第一幻影格栅联接正电极材料，第一格栅和正电极材料设置在第一窗口中，从而能导电地联接正电极材料和铅箔的第一侧面，以及在进一步的步骤中，第二幻影格栅联接正电极材料，第二格栅和负电极材料设置在第二窗口中，从而能导电地联接负电极材料和铅箔的第二侧面。

最优选的是，第一和/或第二幻影格栅是非导电的，正极活性材料和负极活性材料是在容器内形成过程由正电极材料和负电极材料形成的。或者，第一和/或第二幻影格栅是导电的，正极活性材料和负极活性材料是在槽内形成过程由正电极材料和负电极材料形成的。

根据下面的优选实施例的详细描述和附图将理解本发明主题的不同目标、特征、方面和优势，在附图中相似的参考数字表示相似的部件。

附图说明

图1A是根据本发明主题的示例性双极电极组件的分解图。

图1B是组装和焊接图1A的双极电极组件的侧视图。

图2是示例性的VRLA的分解图。

图3是根据本发明主题的一个方面的PAM和NAM板层的图。

图4是根据本发明主题的一个方面的激光焊接装置的示例性的示意图。

图5是根据本发明主题的另一个方面的形成储槽的示例性的示意图。

图6是根据本发明主题的利用双极电极组件的VRLA组装的示例性的流程图。

具体实施方式

发明人员已经发现，可以通过简单且有成本效益的方法制造双极电池，尤其是具有高功率密度的VRLA，这种简单且节约成本的方法将显著地降低使用的金属重量和充分地消除电解质渗漏和/或损耗。在尤其优选的方面中，双极电极组件的衬底是由非常薄的铅（合金）箔，格栅/集流体由幻影格栅取代（例如，由非导电聚合物材料制造的格栅，或优选地具有刚好允许在容器中形成而无需提供腐蚀保护用于在充电/放电循环期间使用的厚度的超薄铅格栅）。因此，与已知的VRLA双极电极组件相比较，充分降低金属铅的消耗量，通常高达65%。

而且，通过激光焊接框架从而在框架元件之间提供紧且耐久的密封可以优选地避免电解质渗漏和/或损耗。此外，发明人员已经发现，利用增强胶粘剂组分可以可靠地密封铅衬底和框架之间的接口，其中已经通过添加剂改进增强胶粘剂组分从而提高胶粘性和衬底的粘附力。已经证明密封的框架提供在VRLA电池寿命期间的无蠕变操作。

而且，应当特别注意，期望的装置和方法通常不需要重组或专用设备，但是可以利用大多数如果不是所有当前存在的生成设备和过程生产/实施。因此，可以通过简单和经济的方式制造性能和可靠性均显著提高的VRLA电池。

图1A中描述的一个示例性的双极电极组件，其中组件100A分别包括第一聚合物框架110A和第二聚合物框架110A’，其也限定了各自的窗口111A和111A’。进一步优选的是，每个框架包括小沟槽（或凹陷结构，未示出）从而至少部分地容纳增强胶粘剂112A，然后增强胶粘剂112A紧密地接触铅箔120A，其中铅箔优选地位于箔的任一侧面。然后，框架咬合在一起，通常激光焊接在一起，从而形成整体结构。进一步优选的是，将框架构造为，窗口将容纳各自的幻影格栅130A和130A’，可以利用正电极材料132A和负电极材料134A预先填充，也可以不进行预先填充（为了方便示出，图1A中只示出填充的一个格栅场）。如以下将进一步讨论的，正电极材料132A和负电极材料134A可以已经受到固化、干燥、成型和/或后成型干燥步骤的影响，或可以是铅氧化物/硫酸膏。

图1B描述了示例性组装的双极电极组件100B，两个透明聚合物框架110B和110B’在其中焊接在一起。激光焊接110B通常是连续的，形成为在两个框架之间产生完全密封。布置和保存在两个框架之间的是铅合金箔120B。此时，应当特别注意，迄今为止如果不是所有装置大多数装置易受电解质渗漏的影响。在本实例中，通过使用将铅箔圆周地密封至框架的增强胶粘剂112B可以完全避免渗漏。和其他装置相比较，利用粘度调节剂改进增强胶粘剂提高粘性和/或联接剂，从而增强铅箔和框架之间粘合性。已经证明，相当长周期内该增强胶粘剂不能渗透移动的电解质，通常使电池的设计使用年限更耐久。根据图1B还可以看到，框架已经合适地依尺寸制造剪切块以如下方式容纳幻影格栅，格栅和/或电极材料能导电地接触铅（合金）箔，从而容纳至少一部分分隔件。在这些装置中，应当容易理解，可以将多个双极组件焊接在一起，从而形成双极电极堆，用于生产双极电池。框架将具有一个或多个额外的开口（未示出），从而允许通风和/或电解质填充。

图2示意性地示出了利用如图1A和图1B中所示的双极电极组件的示例性VRLA电池。此时，电池200分别包括多个双极电极组件210和正端板220与负端板230。双极电极组件210夹在分隔件240中间，利用邻近的组件/端板完成电池单元（将电解质注入包括分隔件的空间）。在大多数情况中，将包括分隔件间隔装置242，分隔件间隔装置也可以集成到框架中。联接端板的是板232，通过加入侧面板260、底部板270、和顶部板250可以完成电池外罩。顶部板进一步包括阀254、填充孔256、和盖子255，以及终端密封252与253。

因此，应当理解，特别优选的双极电极组件将包括限定各自的第一窗口和第二窗口的第一非导电框架和第二非导电框架，其中框架优选地激光焊接在一起。布置在框架之间的是电极衬底（最普遍的是纯铅[例如，重量百分比至少为99.9%]或铅合金（例如，铅锡合金）），因此通过第一窗口和第二窗口可进入衬底的相对侧面。为了避免与电解质渗漏相关联的任何困难，一般优选的是，使得增强胶粘剂放置在衬底和框架之间。第一幻影格栅，通常联接正电极材料，放置在第一窗口，从而允许能导电地接触衬底的第一侧面，第二幻影格栅，通常也联接负电极材料，放置在第二窗口，从而允许能导电地接触衬底的第二侧面。因此，应当认识到，通过极其简单的方式可以制造耐久性的双极电极组件，其不能渗透甚至在剧烈的工况下（例如，放电深度至少为80%）数百次充电/放电循环期间不期望移动的电解质。而且，如以下更详细描述的，由于使用非常薄的衬底和利用幻影格栅取代导电结构铅格栅，双极组件的重量大大地降低了。从另一个视角观察，应当理解，生产充分降低腐蚀保护的铅合金格栅，该铅合金格栅足够强大能够忍耐高容量生产设备在粘合、气流干燥、和堆叠电极期间施加的压力和强度。因此，可以结合本文中提出的教义使用已经存在的生产方法和设备。

本文中使用的术语“幻影格栅”是指非导电或导电的格栅，但是未能提供超过十次充电/放电循环的腐蚀保护，更具代表性地超过五次充电/放电循环的腐蚀保护，最具代表性地超过三次充电/放电循环的腐蚀保护。因此，在幻影格栅是导电的情况中，一般优选的是，格栅是由具有的厚度充分引起单个槽内成型或容器内成型的铅或铅合金制造的，但是不会提供超过小数目（通常1到10次）充电/放电循环的导电功能。或者，幻影格栅可以构造为任意布置在电极材料中的导电或非导电填充物。本文中使用的术语“电极材料”是指接触幻影格栅的基于铅的材料，因此包括铅膏（例如，成型之前的材料）和活性材料（例如，成型之后的材料）。图3中描述了从槽内成型获得的示例性的有源电极材料玻璃纤维装填物。此时，如以下进一步所描述的，左面板示出了金属正极活性材料（PAM），右面板示出了褐色负极活性材料（NAM）。

对于VRLA双极电池，一般优选的是，电极材料与幻影格栅的重量之比相对较低。例如，优选的幻影格栅与电极材料比率（例如，PAM、NAM、铅氧化物膏）小于等于0.50，更具代表性地小于等于0.40，以及最具代表性地小于等于0.25。进一步考虑期望的是，这些格栅可以包括清洗和干燥的PAM或NAM。正相反，传统的VRLA电池的铅格栅重量与正由于材料重量的比率等于大约0.68。因此，可以生产比能显著提高的电池。例如，利用期望的装置和方法，可以生产金属铅和/或金属铅合金含量小于等于10g/Ah、更具代表性的小于等于8g/Ah、最具代表性的小于等于6g/Ah（在完全放电条件下）和比能含量至少为45Wh/kg、更具代表性的比能至少为50Wh/kg、最具代表性的比能至少为54Wh/kg的阀调节的铅酸电池。例如，与传统的通用VRLA电池相比较，这些优势转化为降低生产成本、金属铅的使用率降低60%（在某些情况中甚至更高）、减小容量（通常至少降低10%的容量）和重量（通常是总重量的25%）。在其他类型的电池中，特别优选的VRLA电池包括通用电池、SLI（启动、照明、点火）电池、UPS（不断电供电系统）电池、和用于运输的电池（混合动力或电动汽车电池等）。25组双极VRLA 5Ah-12V的实验性生产原型的独立实验已经证明密封的双极的稳固性，通过在C/3放电到100%放电深度（DOD）到80%初始容量的220个循环期间可以证明。

关于合适的框架材料，应当理解，不同的材料认为是合适的，特别优选的材料包括重量较轻的材料，其可以是导电的或非导电的。例如，优选的重量较轻的材料包括不同的聚合物材料、碳复合材料、重量较轻的陶瓷。然而，特别优选的材料包括那些适用于热塑地激光焊接的材料。例如，期望的热塑性材料包括丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（ABS）、不同的聚丙烯酸酯（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），可以利用不同的材料加强，尤其是利用玻璃纤维。事实上，该实例中的材料选择由塑料限定为在焊接/组装过程的至少某些点进行激光穿透。而且，注意到，在聚合物是完全透明的情况中，可以使用颜料（内部的或外部的）吸收激光能，从而促进焊接。

因此，熔接框架的方式将依赖于材料选择改变，其包括点和缝焊接、超声焊接、利用活性表面（例如，等离子蚀刻表面）的化学焊接、和利用一个或多个粘合剂。然而，在最优选的实施例中，以半自动化或全自动化的方式使用激光焊接进行框架联接和框架组装。在这些方法中，激光束穿透上部光学透明热塑性框架或其他部件，并且在焊接接口通过底部吸水热塑性或激光吸收性染料将激光束转化为热。一般优选的是，在焊接过程期间应用外部力使热塑性零件集中到一起，使得热从吸收激光的热塑性材料传递至可穿透激光的热塑性材料，因此部分地同时熔化部件和产生连接。焊接区域的热膨胀产生内部压力，导致在零件之间出现较强的焊接。

应当特别理解，与传统的焊接技术相比较，激光传输焊接在焊接塑料过程中提供重要的优势，包括缺乏接触焊接工具、灵活的连接技术、焊接零件中最小的热压力、简单的连接缝几何、缺乏微粒形成、消除振动处理、光学无暇焊缝、高精确度、高强度、不透气、密封、和缺乏消耗品（例如，粘合剂、紧固物等）。因此，可以完全避免目前遇到的与振动或超声焊接相关的难题（参考美国专利5,512,065或5,068,160）。图4中示出了示例性的激光焊接装置。此时，装置400包括典型的透明底部410和CNC双轴控制的激光头420。热塑性框架（或组件）430和430’中的至少一个具有热塑性染料432，通过液压夹具或气动夹具450朝着支撑玻璃板440挤压框架或其他部件，其施加合适的压力用于激光焊接。例如，合适的焊接装置是商售的（LeisterTechnologies www.leisterlaser.com）。合适的焊接装置包括用于将焊接的部件以相对于彼此期望的方式焊接在一起夹具。通过机器手臂或其他可编程系统（例如，CNC臂）支持和移动适当驱动的激光，从而沿着期望的焊接类型定向激光束。

当然，应当注意，额外的粘合剂和/或密封剂可以用于制造电解质不透过组件。例如，粘合剂的焊珠可以应用于集流体的法兰。宽度为大约0.8mm到1.0mm的焊缝包围集流体的法兰，因此将集流体封装在热塑性材料（除非上下文规定正相反，否则本文中阐述的所有范围应当解释为包括其端点，开放式范围应当解释为只包括商业实用值。相似地，除非上下文中规定相反，否则应当认为所有值均包括中间值。）。在至少某些实施例中，组件的外观会让人想起塑料叠层图片。当然，将由特定的框架和衬底结构规定粘合剂的精确设置。因此可以在至少一个框架中的沟槽或其他凹陷提供粘合剂，或是粘合剂可以大量地应用于不受激光焊接影响的框架的衬里部分。

尽管认为许多粘合剂适用于本文中所描述的，特别合适的聚合物粘合剂包括双组分环氧树脂，以及特别是那些铅酸电池OEM通常用于密封电池极柱的聚合物粘合剂。在试图降低平面上环氧树脂配方的移动性的过程中，发明人员发现，当粘性稍微增加时，可以实现较好的操作特征。在增加粘性的其他合适的化合物中，尤其优选的化合物包括气相二氧化硅粉末（例如，Cabot公司商售的商品名为Cabosil M5^TM）。通过将按重量计算2%到8%的气相二氧化硅粉末、更具代表性的4%到5%的气相二氧化硅粉末增加值环氧树脂组分（例如，韩国SNS MouldChemical公司商售的Atlas类型A环氧树脂）中，发明人员生产出密封化合物，已经证明该物质不能透过通过在C/2放电到80%放电深度（DOD）到70%初始容量的390个循环期间的电解质和电解分流。通过将联接剂加入粘合剂中可以更好地提高衬底和幻影框架之间的连接和密封性能。在其他剂中，发明人员发现，硅烷执行得特别好（例如，美国新泽西州API Advanced Polymer公司商售的硅烷），以及优选的联接剂量在重量的0.1%和重量的5%之间，最优选的在重量的1%和重量的3%之间。

关于衬底，应当认识到，我们认为结合本文中呈现的教义所有已知的双极铅酸电池衬底均适用。在本发明主题的一个优选方面中，衬底是纯铅（例如，至少重量的99%等）箔或铅合金（例如，铅锡合金、铅铋合金、铅钙合金等）箔，其中铅箔的厚度小于等于5mm、更具代表性的小于等于2mm、和最具代表性的小于等于0.5mm（例如，0.2mm或0.1mm）。或者，可以使用涂有铅的导电或非导电衬底。在这种情况中，尤其优选的是，衬底是WO2010/019291中描述的类似双极。最优选地，该双极衬底的非导电部分是激光可焊接的塑料，焊接过程可以用于生产不可透过的密封。或者，合适的衬底还包括单片衬底，其中如WO2010/135313中所述格栅电铸在铅箔上或焊接铅箔。

如上所述，激光焊接可以进一步用于利用顺序操作从负端板开始将整个双极堆连接在一起。然后正双极放置在装置的导轨内的端板顶部。气缸或其他气动装置、液压装置、或机械的装置启动夹紧装置向上朝着固定玻璃头挤压部件，之后激光束跟踪程序控制图形，将塑料法兰的整个周边彼此焊接在一起。因此，一次一个双极，在焊接设备中逐渐组装堆。例如，来自七个双极电池部件周围的双极电池焊接在一起，从而产生如图2中示意性示出的12V电池组件。通过应用盖子护套部件加强电池组件和减轻源于内部重组气压的圆周应力可以实现组装。再一次，对于该处理步骤（盖子护套连接双极）而言激光焊接是非常有利的，因为传统的热板法通常不适用于焊接平面部件。在连接盖部件之后实现将组件放置在堆顶部的合适位置。通过热板或通过粘合剂可以连接盖子，因为以上通常由铅酸电池制造商实施的。然而，更有利的是使用激光焊接，因为与其他两个已知方法相比较而言，该过程速度更快，并且更少出现质量相关的问题。

或者，应当理解，利用本领域中已知的合适铸模也可以将组装的部件（特别是在激光焊接之后）封装在热塑性材料中。应当注意，热塑性封装最初是由DuPont开发的用于铸封电线圈和电动马达部件，且热塑性封装特别适用于大量生产。尽管其广泛用于前述的应用中，但是封装在铅酸电池制造领域中实际上是未知的。封装的目的是在BLAB的双极框架和端板上产生均匀的热塑性层，因而将这些部件彼此连接和密封在一起。因此，BLAB组件的完全自动化过程可以使用步骤利用分隔件将预先组装的双极组装到合适的铸模中。一旦部件处于合适的位置，铸模就关闭和启动热塑性材料注入循环。然后，铸模打开，喷射完成的电池。封装方法明显快于传统的外罩制造，以及在某些情况中甚至快于激光焊接，因此进一步降低了最终组装所需的部件量。该方法特别适用于较小的电池。

然后，组装的电池充满电解质，然后经历成型过程。因此，在本发明主题的一个方面中，可以在“容器内”执行成型过程，通常对于相对小的VRLA电池进行以上成型过程。此时，完全组装的电池受到“槽内”成型的影响，其中格栅和活性材料受到在电解槽中成型的影响。然而，应当理解，本文中呈现的电池同时适用于两种处理方法。

发明人员意外地发现，与一般看法相反，只有粘合板、固化板、和设计板能够作为格栅和正极活性材料（PAM）之间的接口，铅箔衬底上放置的充电的正极活性材料也能够作为大约数个充电/放电循环期间的接口。特别地，充电的负板呈现更多问题，因为其将迅速地放电至户外。为了避免对充电的负极活性材料造成损害，发明人员已经研发出在保护氛围（例如，氮气）下进行组装的方法，该方法完全消除了空气氧化问题。或者，发明人员还考虑利用一旦充电和/或接触电解质就分解/溶解的不能渗透氧气材料覆盖负极活性材料。

而且，认识到利用干燥带电板的优势，发明人员还研发了生产和槽内成型干燥带电板的方法。然后，干燥带电板很容易集成到电池组件中。为了生产适用于双极电池的槽成型电极，发明人员在幻影格栅中使用导电的且比传统格栅明显较轻的格栅。特别应当理解，光栅结果是非常可接受的，因为在双极电池中格栅不是由电极材料的重量机械施加压力的，并且格栅不需要具有充分厚的适用于高电流和格栅腐蚀的导线。实际上，发明人员注意到，幻影格栅必须充分保存其活性材料和穿过足够的电流，从而满足成型需求。测试原型已经证确认光栅的耐久性。光栅通常具有至少10%、更具代表性的至少25%、和最具代表性的至少33%小于传统的格栅的光栅，并且其总重量至少10%、更具代表性的至少25%、和最具代表性的至少33%小于传统的格栅的总重量。从另一个视角来看，应当认识到，尽管传统的VRLA电池具有的铅带你基本重量与正极活性材料重量的比率是大约0.68(+/-5-10%)，但是腐蚀保护降低的铅合金幻影格栅的重量明显降低，合适的重量比率可以低至0.45和0.60之间，更优选地在0.30和0.45之间，最优选地在0.20和0.30之间。

特别应当理解，生产干燥充电双极电池电极的方法是非常有利的，因为该方法能够将双极电池格栅的制造集成到现有的适用于传统电池的生产方法中。根据本文中呈现的本发明主题生产的双极电池将使用比传统的电池少高达52%的金属铅。而且，应当注意，Pb-Ca合金可以同时用于正幻影格栅和负幻影格栅或用于两者中的一个，其提供了额外的经济优势。

还是在本发明主题的另一个方面中，发明人员进一步发现，也可以在没有格栅的情况下制造干燥充电电池板（活性材料）。更具体地，正电极材料和负电极材料可以与一个或多个结构装填物混合在一起，从而保持期望的特性。例如，电极材料与2%的玻璃纤维（HV生产的PA 10-6）混合在一起，以及可选地与额外的粘合剂混合在一起。很明显，如此形成的铅膏与传统的铅膏并无不同之处。然而，与具有粘合铅的格栅的传统电极材料不同，含有结构装填物的浆状体灌注到塑料铸型中，从而形成期望比例的平板。

然后，以与利用传统材料相同的方式优选地执行固化和干燥过程。然而，优选的是，使用合适的背衬（例如，由粘合纸制造的）加强平板和促进其分离成型。下一个步骤是在改进的槽中进行如图5中示例性描述的“容器内”成型。此时，为了将电流传递至平板，需要将平板放置在由具有充足厚度的铸铅合金制造的托盘上。然后，形成电流经过托盘到达平板。为了促进电解质的高效循环，托盘设计为具有充足的穿孔。为了方便起见，托盘水平放置在槽中，其相对极性托盘彼此相对，然而，其他布置在本文中也认为是合适的。在成型之后，清洗和干燥PAM平板和NAM平板，从而获得双极电池的干燥充电活性材料部件。那样，可以生产具有高比能和高功率需求的不受正栅极增加的不利影响的双极铅酸电池。

还是在另一个处理方案中，考虑到可以在“容器内”成型过程中执行成型，其中粘合和固化的未形成双极组件安装到电池箱中。然后，根据预定义的算法向容器中注入稀释电解质和充电电池，从而实现最佳或期望的格栅成型。应当理解，该“容器内”成型对容量相对较小（例如，在1Ah和10Ah之间）的VRLA电池而言非常有利。为了促进大量生产本文中呈现的VRLA的电极，幻影格栅是非导电格栅，优选地由传统的热塑性材料制造。这些格栅很容易形成（例如，注塑成型），并且可以与传统的铅格栅利用如上所述的生成设备和方法相同的生成设备和方法进行粘合。然后，将粘合板和固化板安装到双极电池中，并且根据传统的成型方法成型。因此，应当认识到，利用本文中呈现的以上组装方法可以生产任何类型的VRLA电池，例如AGM、凝胶体、或AGM/凝胶体，不考虑生产活性材料部件。

图6中示出了基于通常生产传统的VRLA电池的双极电池生产流程图，其证明了本文中考虑的生产方法与限于方法的适用性。本领域的普通技术人员将容易理解，流程图的方法不需要复杂的操作（例如，在皮带材料和注液电池连接上进行铸造），这通常用于传统的铅酸电池的大多数生产过程。因此，本文中公开的根据本发明主题的双极电池的生成成本比类似的传统VRLA电池的生成成本低得多。

因此，发明人员考虑了制造双极电极组件的方法，其中在一个步骤中具有相对的第一侧面和第二侧面的铅箔设置在限定第一窗口的第一非导电框架和限定第二窗口的第二非导电框架之间。在另一个步骤中，优选的是，增强胶粘剂设置在铅箔和第一非导电框架与第二非导电框架的至少一个之间。最优选地，增强胶粘剂包括粘度调节剂和/或联接剂。然后优选地激光焊接第一框架和第二框架，以便于通过第一窗口和第二窗口可以分别进入铅箔的第一侧面和第二侧面，以及第一幻影格栅联接正电极材料，第一格栅和正电极材料设置在第一窗口中，从而能导电地联接正电极材料和铅箔的第一侧面。还是在另一个步骤中，第二幻影格栅联接正电极材料，第二格栅和负电极材料设置在第二窗口中，从而能导电地联接负电极材料和铅箔的第二侧面。

如上所述，依赖于具体期望的成型方法，第一幻影格栅和第二幻影格栅中至少一个是非导电的，以及通过容器内成型方法由正电极材料和负电极材料形成正极活性材料和负极活性材料。或者，第一幻影格栅和第二幻影格栅中至少一个是导电的，以及通过槽内成型方法由正电极材料和负电极材料形成正极活性材料和负极活性材料。

本领域的技术人员应当理解，在不偏离本文中的发明概念的情况下，可以做出除了已经描述的改进之外更多的改进。因此，除了相关权利要求的精神之外不限制本发明的主题。而且，在理解说明书和权利要求的过程中，应当以与上下文一致的最广泛的方式解释所有术语。特别地，术语“包括（comprise）”和“包含（comprising）”应当解释为是指以非排他性方式的元件、部件、或步骤，表明参考元件、部件、或步骤可以与未明确参考的其他元件、部件、或步骤呈现、利用、或组合。在说明书权利要求是指从由A、B、C、…、和N构成的组中选择的至少一个的情况中，文章应当解释为只需要从组中选择的一个元件，不是A和N，或B和N等。

Claims (20)

1.一种双极电极组件，包括：

限定第一窗口的第一非导电框架，其中所述第一框架联接限定第二窗口的第二非导电框架；

联接所述第一框架和所述第二框架的铅箔，以便所述铅箔相对的第一侧面和第二侧面分别可进入所述第一窗口和第二窗口；

其中所述第一非导电框架和所述第二非导电框架中的至少一个进一步包括增强胶粘剂，所述增强胶粘剂包括粘度调节剂和联接剂中的至少一种，其中所述增强胶粘剂设置在所述铅箔和所述第一非导电框架与第二非导电框架中的至少一个之间；

联接正电极材料的第一幻影格栅，其中所述第一格栅和所述正电极材料设置在所述第一窗口中，并且能导电地联接所述铅箔的第一侧面；以及

联接负电极材料的第二幻影格栅，其中所述第二格栅和所述负电极材料设置在所述第二窗口中，并且能导电地联接所述铅箔的第二侧面。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一非导电框架和所述第二非导电框架由激光焊接结合在一起。

3.根据权利要求1所述的组件，其中所述粘度调节剂是气相二氧化硅粉末，以及其中所述联接剂是硅烷。

4.根据权利要求1所述的组件，其中所述铅箔是厚度小于0.2mm的铅锡合金。

5.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一幻影格栅和所述第二幻影格栅中的至少一个是由非导电材料制造的。

6.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一幻影格栅和所述第二幻影格栅中的至少一个是由铅或铅合金制造的，并且构造为提供小于10次充电-放电循环的腐蚀保护。

7.根据权利要求1所述的组件，其中所述正电极材料是正极活性材料，以及其中所述负电极材料是负极活性材料。

8.根据权利要求1所述的组件，其中所述正电极材料和负电极材料是氧化铅膏。

9.根据权利要求1所述的组件能导电地联接负端极柱组件、正端极柱组件、分隔件和根据权利要求1所述的至少一个额外组件，因而形成双极电池组件。

10.根据权利要求9所述的组件，其中所述双极电池组件封装在热塑性聚合物中。

11.一种用于阀调节铅酸电池的铅酸电池双极，其包括联接来包括由正极活性材料、负极活性材料和铅氧化物膏的组中选择的材料的幻影格栅，以及其中所述正极活性材料与所述幻影格栅的重量之比小于等于0.50。

12.根据权利要求11所述的铅酸电池双极，其中所述正极活性材料或负极活性材料是清洗和干燥的活性材料。

13.根据权利要求11所述的铅酸电池双极，其中所述正极活性材料与所述幻影格栅的重量之比小于等于0.40。

14.根据权利要求11所述的铅酸电池双极，其中所述正极活性材料与所述幻影格栅的重量之比小于等于0.25。

15.一种阀调节铅酸电池，所述铅酸电池的金属铅和/或金属铅合金含量在完全放电情况下小于等于10g/Ah而比能含量为大约45Wh/kg。

16.根据权利要求15所述的阀调节铅酸电池，其中（a）所述金属铅和/或铅合含量小于等于6.0g/Ah，或（b）所述比能含量是至少54Wh/kg。

17.一种制造双极电极组件的方法，包括：

将具有相对的第一侧面和第二侧面的铅箔设置在限定第一窗口的第一非导电框架和限定第二窗口的第二非导电框架之间；

将增强胶粘剂设置在所述铅箔和所述第一非导电框架与第二非导电框架中的至少一个之间，其中所述增强胶粘剂包括粘度调节剂和联接剂中的至少一种；

激光焊接所述第一框架和所述第二框架，以便于通过所述第一窗口和第二窗口可以分别进入所述铅箔的第一侧面和第二侧面；

联接所述第一幻影格栅和所述正电极材料，并且将所述第一格栅和正电极材料设置在所述第一窗口中，从而能导电地联接所述正电极材料和所述铅箔的第一侧面；以及

联接所述第二幻影格栅和所述正电极材料，并且将所述第二格栅和负电极材料设置在所述第二窗口中，从而能导电地联接所述负电极材料和所述铅箔的第二侧面。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一幻影格栅和所述第二幻影格栅中的至少一个是非导电的，以及其中所述正极活性材料和负极活性材料是通过容器内成型工艺由所述正电极材料和负电极材料形成的。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一幻影格栅和所述第二幻影格栅中的至少一个是导电的，以及其中所述正极活性材料和负极活性材料是通过槽内成型工艺由所述正电极材料和负电极材料形成的。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述粘度调节剂是气相二氧化硅粉末，以及其中所述联接剂是硅烷。

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