CN103959510B - 压花隔板、电池和方法 - Google Patents

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Abstract

一种改善、新型、改进型或者更加坚固的用于蓄电池的压花电池隔板，用于制造它的方法，外壳压花隔板，包括所述压花隔板和/或外壳的电池，和/或用于制造和/或使用所述压花隔板、压花外壳、和/或包括这些压花隔板和/或外壳的电池的相关方法。

Description

压花隔板、电池和方法
相关申请的交叉引用
该申请要求2011年11月21日提交的美国临时专利申请No.61/562,195和2012年8月22日提交的No.61/692,058的优先权和权益，其各自在此通过引用方式并入本文中。
技术领域
根据至少选择的实施方案，本发明涉及压花(embossed)电池隔板，隔板外壳，复合体，层压板，电池，储能装置，和/或方法；和/或改善、新型、改进型和/或更加坚固的压花电池隔板，隔板外壳，复合体，层压板，电池，和/或方法。根据至少某些实施方案，本发明涉及改善、新型、改进型和/或更加坚固的用于蓄电池的压花电池隔板，隔板外壳，电池，和/或方法，制造的方法，外壳压花隔板，包括所述压花隔板和/或外壳的电池，和/或用于制造和/或使用所述压花隔板、压花外壳、和/或包括这些压花隔板和/或外壳的电池的相关方法。根据至少某些选择的实施方案，本发明涉及改善、新型、改进型或者更加坚固的用于铅酸或者蓄电池的压花电池隔板，用于制造的方法，外壳压花隔板，包括所述压花隔板和/或外壳的电池，和/或用于制造和/或使用所述压花隔板、压花外壳、和/或包括这些压花隔板和/或外壳的电池的相关方法。
背景技术
目前在铅酸(或者蓄)电池中使用的隔板为板材的微孔薄膜，它防止在相反极性的相邻电极板之间的短路和防止板极材料脱落，但鉴于它们多孔结构，在电解质中允许离子电流流动。这类隔板由例如美国专利US3,351,495、US 4,927,722和US5,776,630和由例如WO公开WO2001/013,442得知，其各自在此通过引用方式并入本文中。制造这些隔板的常见聚合物包括聚烯烃，例如高分子量聚乙烯(例如，超高分子量聚乙烯，UHMWPE)。这些隔板可包括填料并通常设置在具有纵向肋的至少一侧上，它的目的是防止平整板材与正电极板直接接触和维持相反电极之间的间距。这些肋也提供隔板在纵向上某些硬质。通常通过在开槽的压延辊和平滑表面压延辊之间填充前体(precursor)来形成这类纵向肋。
通常如此制造隔板：通过狭缝模头挤出热塑性塑料至薄膜(或者前体)内，然后使用压延辊将它辊至具有指定肋的板材内，在此后将孔形成剂(例如矿物油)抽出，并将多孔板材或者网盘绕至辊子内。随后由辊子中抽取该多孔板材，将它切割成所需宽度的条板。将这些条板切割成所需长度以形成隔板块(或者叶)或者形成随后在正或负电极板上折叠的长度以形成外壳，通过例如热封、压焊或者已知形成袋或外壳的其他工序可接合其两侧周围区域。然后将电极板组装至蓄电池组内，在隔板外壳中，板极与没有外壳的相反极性的板极交叉。通常，仅单一极性的电极板放置在外壳隔板中；然而，在特殊的情况下，可将两种极性的电极板放置在外壳隔板中。在组内的电极板对齐，随后接合至一起。
电极板的对齐可导致单一电极板较大或较小程度推动至外壳隔板的一个或其他周围区域内。取决于制造过程，由于电极板通常要求尖头电极或者陡沿，该位移可导致电极板的尖端或者边缘穿透隔板材料，这反过来可导致相邻电极短路。尤其是当所使用的电极板由例如扩展或者冲压金属的栅极组成时的情况，实际活性材料并入膨胀或者冲压金属内，如在例如EP公开申请EP-A-0 994 518中所述。在这种情况下，可能出现未在节点处精确切割扩展的材料，从而导致单独的栅极线由电极板突出，对齐电极板时稍微弯曲以及穿透隔板的薄板材。
如此，存在用于至少某些应用、用途、效率等的改善、新型、改进型或者更加坚固的隔板和/或外壳，改善、新型或者改进型隔板和/或外壳制造方法，改善、新型、改进型或者更加坚固的包括这些隔板、外壳等的电池的需求。
发明内容
根据至少选择的实施方案，改善、新型、改进型和/或更加坚固的用于铅酸(蓄)电池的电池隔板和/或外壳由压花热塑性塑料板材，优选压花肋状多孔热塑性塑料板材制成。板材具有侧面连接周围区域的某些区域。至少，中心区包括多个纵向延伸的肋，其优选由板材整体形成(通过例如压延)，并且至少中心区包括多个纵向延伸叠加的压花肋，其优选通过例如一对凹凸压花辊(male and female embossing roll)来形成，该一对凹凸压花辊改进或改良至少一部分隔板的总厚度和/或形状和/或密度。在至少一个实施方案或者实施例中，前体或者未压花薄板的中心区包括多个纵向延伸笔直肋，其优选由板材整体形成(通过例如压延)，并且至少中心区包括多个纵向延伸叠加的压花正弦肋，其优选通过例如一对凹凸压花辊来形成，该一对凹凸压花辊改进或改良至少一部分隔板的总厚度和/或形状和/或密度，压花肋比笔直肋更大。根据本发明，压花肋状多孔热塑性塑料板材(优选正好在切割之前、之时或者之后或者在包封之时)，从而增加它的厚度、回弹性和/或压缩，和/或从而形成内部加强网状物，从而重新调整质量，从而减少销孔等。也公开制造前述压花隔板、由压花板材制成的外壳压花隔板的方法，和/或制造电池和/或使用压花隔板和/或外壳压花隔板的方法。
因此，本发明的至少一个实施方案的至少一个目的是提供改善、新型或者改进型用于蓄电池的电池隔板，和提供改善、新型或者改进型用于制造这些隔板的方法。
本发明的至少一个实施方案的进一步目的是提供用于蓄电池的电极板的改善、新型或者改进型外壳隔板以及改善、新型或者改进型用于制造它的方法。
本发明的至少一个实施方案的又一目的是提供压花电池隔板、制造这些隔板的改善的方法、和/或使用这些隔板的改善的方法。
根据至少某些实施方案，提供改善的压花隔板和它的制造方法，其中超高分子量聚乙烯(UHMWPE)二氧化硅填充的微孔隔膜具有致密硬质内骨架框架，通过压缩前体隔板的主肋至压花内致密骨架结构内得到所述致密硬质内骨架框架，所述压花内致密骨架结构在不均匀致密隔膜内。所述压花也优选增加在起始前体肋状膜厚度上的总厚度(在一个实施例中，压花约1.25mm总厚度前体以具有约1.80mm总厚度)。这些硬质内骨架结构优选改善抗氧化性，增加厚度压缩回弹性和与不存在内骨架框架工作的现有非压花隔板或者压花平板膜相比降低成本。出人意料地，肋质量的重新分配也产生减少销孔尺寸和数目的自恢复效应。
根据至少具体实施方案，优选的压花肋状隔板或者隔板外壳包含在抽出和压延(肋形成)之后压花的UHMPE二氧化硅填充的微孔隔膜，从而得到新型更大压花肋轮廓；通过压缩前体隔板的主肋至压花内致密骨架结构内得到的致密硬质内骨架框架，所述压花内致密骨架结构在不均匀致密隔膜内；在起始前体肋状膜上增加的总隔板厚度；改善的抗氧化性；增加的厚度压缩回弹性；与现有非压花、未压花或者压花平板膜(没有内致密骨架框架)相比降低的成本；自恢复销孔减少效应；比相同总厚度的常见工业隔板质量更小等。
本发明的至少选择的实施方案克服或者解决现有技术压花“平整”隔板(由平整或者基本平整前体制成)的缺点(断裂、销孔、缺乏孔隙率等)。本发明的新示例是通过压花(例如，通过在压延肋轮廓之上叠加更大的压花肋轮廓，在选择的位置中(优选对应于以前的肋)粉碎压延的肋和致密结构)使用压延的肋状前体和重新分配质量(肋)。与过去的想法相比，新型发明隔板使用肋状前体，而不是平整“薄板”或者亚微米肋前体。用于溢流铅酸电池的至少某些现有压花平整薄板电池隔板可能具有较差的抗氧化性、销孔和在压花工序中通过拉伸导致的薄的区域。
根据本发明的某些实施方案或者方面，压花肋状隔板轮廓，使得压缩的肋形成骨架网状物和具有不同密度的非均匀膜，从而改善物理和/或性能性质，例如氧化性。
根据本发明的至少选择的实施方案或者方面，压膜低成本肋状聚乙烯(PE)隔板，从而改良它的形状至更厚隔板内，同时维持所有关键隔板性能性质，降低成本，降低复杂性(SKU)和/或降低质量。
根据本发明的至少某些实施方案或者方面，致密骨架框架增加一段时间内压花形状的回弹性和减少氧化侵蚀的可能性，因而延长储能装置的循环寿命。
根据本发明的至少选择的实施方案或者方面，通过在制造工序结束处增加厚度(通过压花)而不是仅在开始(通过压延)，本发明方法和工序可降低至少PE隔板和/或外壳制造的隔板和/或外壳制造工序的成本和复杂性。
根据本发明的至少某些实施方案或者方面，新型压花肋状隔板和/或外壳通过设置纵向流槽可降低酸层化，从而增加在超载时电解质抽吸作用。通过当两层或多层共同压花至一起时产生的空隙空间也可解决酸层化的现象。例如，在隔板和垫(或者纤维)层压板结构中PE隔膜和玻璃垫(或者纤维层)之间的间隙空间可促进浸锡，这导致在纤维基体或者垫上随机相互作用和碰撞。
根据本发明的至少选择的实施方案或者方面，本发明压花工序具有增加用于横流/超滤应用的膜表面积的潜能，特别是目前利用模块化盒。在有效表面积很重要的螺旋缠绕配置中也可增加利用。
根据本发明的至少某些实施例、实施方案或者方面，压花的1mm厚度肋状隔板前体(经压花以具有最终产品2mm厚度)可代替常规2mm肋状隔板(提供降低的成本、质量和/或复杂性，以及显著增加制造能力)。
根据本发明的至少某些实施方案或者方面，在隔板生产工序的最后步骤处赋予厚度的能力增加工序灵活性。例如，在1mm至2mm的产品可看到质量和成本的显著降低，并相反地增加生产速度。较薄前体(在压花之前)的装运也减少前体装运体积和成本。
根据本发明的至少选择的实施方案或者方面，通过如此制造新型压花肋状隔板：通过狭缝模头挤出热塑性塑料至薄膜内，然后使用压延辊将它辊至具有指定肋轮廓(在一侧或者两侧)的肋状板材内，在此后将孔形成剂(例如矿物油)抽出，并将如此形成的肋状板材(压延肋状前体)盘绕至辊子内。随后由辊子中抽取该多孔板材，压花(以例如增加厚度或者致密)和将它切割成所需宽度的条板。将这些条板切割成所需长度以及随后在正或负电极板上折叠以形成压花外壳，通过例如热封、压焊或者其他已知工序可接合其两侧周围区域。然后将电极板组装至蓄电池组内，在压花隔板外壳中，板极与没有外壳的相反极性的板极交叉。通常，仅单一极性的电极板放置在外壳隔板中；然而，在特殊的情况下，可将两种极性的电极板放置在外壳隔板中。在组内的电极板对齐，随后接合至一起。
隔板的优选目的是为了一段时间内保持板极距离相同。该压花PE隔板在一段时间内具有非常小的改变，因而在一段时间内它们保持所需厚度和板极间距。优选小于或等于5％的厚度、回弹性、压缩等的改变，且在常见电池隔板总厚度规格内。
根据至少选择的共同压花实施方案，另外的辊原料可与上述的肋状隔膜同时进入压花工序。这些材料的例子不限于合成、纤维质的纤维状非纺织材料或其混合非纺织材料组合。非纺织材料包含宽范围的厚度、旦尼尔、基本重量和表面化学性质。特别关注的是用作在电池制造工序内活性材料沉积的基础的非纺织组合物。这些非纺织材料(通常称为裱糊纸)可以化学官能化或者可以以粘附具有产生凝胶结构能力的特定材料的这种方式处理，通过该凝胶结构获得电解质，并将电解质保持在与电极表面邻近的原地，从而提供电池电化学性能可能的益处。
除了粘附与隔膜进行共同压花材料的胶凝剂之外，可部署对电池性能具有影响的其他材料。这些材料包括但不限于硫酸钠以增加电解质性质，化学活性矿物质以由电解质清除污染物质和含碳物质以增加充电接收性能和增加表面积。
在共同压花实施方案内可能优选的优势是替换粘附层压板材料的固定剂至隔板表面。诸如工业胶水的固定剂含有有机化合物，其提供总可氧化碳(TOC)的来源至电池体系。一旦持续暴露于电池的氧化环境中，许多有机化合物变得电化学不稳定，得到可导致电池过早破坏的TOC水平。在电池的循环寿命内，在氧化侵蚀下可破坏所利用的粘合剂，使得层压板材料由隔板游离。
共同压花实施方案的又一可能优选的益处是通过产生单块结构使物理强度增强，该单块结构由这些共同压花的材料组成。增强抗氧化性以及增强流体输送性质(旁侧和在Z轴中)可正向影响双轴刚度。
不限制压花肋、模式、设计、特征和/或性质，并可通过改变压花工具、待压花的材料、任何添加剂或者试剂等来变化。
附图说明
当连同以下附图考虑本发明的描述时可更好地理解本发明，以下附图图示本发明的选择的示例性实施方案、实施例或者方面。
图1和19是依据本发明至少一个实施方案制成的压花电池隔板的平面图。
图2是新示例的描述。
图3和20是压花肋状前体(BBV1.25mm)以形成在图1和19(新型压花BBV1.80mm)中显示的压花隔板的实施例。
图4是压缩和回弹性的描述。
图5是压缩数据的示意图。
图6是关于ER变化的表。
图7是关于重新安排质量的描述。
图8A、8B和8C分别为可能优选的肋状前体实施例的平面图、侧视图和部分放大侧视图，例如BBV1.25mm具有诸如100至200mm或更大H的大小，约500mm或更大(在切割之前)的W，约1.25mm的T，和约0.5mm的B。
图9是本发明的至少一个实施方案的示例性压花外壳隔板的平面图。黑色条纹表示增加密度的区域。
图10是图9压花隔板的一部分的放大视图。
图11至14、21和22分别为在压花本发明的至少选择的实施方案之前和之后(或者肋状前体和压花隔板)的视图。图11和21分别为相同实施方案的视图。类似地，图14和22分别为相同实施方案的视图。
图15是层压板或复合体前体的实施例的透视图(在压花之前)。
图16显示多个隔板产品的多处各自的SEM。
图17显示层压板或者复合体前体的另外例子的透视图(在压花之前)。
图18是与图16相关的数据表。
对发明的详细说明
根据本发明的至少某些实施例、实施方案或者方面，压花的1mm厚度肋状隔板前体(经压花以具有最终产品2mm厚度)可代替常规2mm肋状隔板(提供降低的成本、质量和/或复杂性，以及显著增加制造能力)。
根据本发明的至少某些实施方案或者方面，在隔板生产工序的最后步骤处赋予厚度的能力增加工序灵活性。例如，在1mm至2mm的产品可看到质量和成本的显著降低，并相反地增加生产速度。较薄前体(在压花之前)的装运也减少前体装运体积和成本。
根据本发明的至少选择的实施方案或者方面，通过如此制造新型压花肋状隔板：通过狭缝模头挤出热塑性塑料至薄膜内，然后使用压延辊将它辊至具有指定肋轮廓(在一侧或者两侧)的肋状板材内，在此后将孔形成剂(例如矿物油)抽出，并将如此形成的肋状板材(压延肋状前体)盘绕至辊子内。随后由辊子中抽取该多孔板材，压花(以例如增加厚度或者致密)和将它切割成所需宽度的条板。将这些条板切割成所需长度以及随后在正或负电极板上折叠以形成压花外壳，通过例如热封、压焊或者其他已知工序可接合其两侧周围区域。然后将电极板组装至蓄电池组内，在压花隔板外壳中，板极与没有外壳的相反极性的板极交叉。通常，仅单一极性的电极板放置在外壳隔板中；然而，在特殊的情况下，可将两种极性的电极板放置在外壳隔板中。在组内的电极板对齐，随后接合至一起。
隔板的优选目的是为了一段时间内保持板极距离相同。该压花PE隔板在一段时间内具有非常小的改变，因而在一段时间内它们保持所需厚度和板极间距。优选小于或等于5％的厚度、回弹性、压缩等的改变，且在常见电池隔板总厚度规格内。
根据至少选择的共同压花实施方案，另外的辊原料可与上述的肋状隔膜同时进入压花工序。这些材料的例子不限于合成、纤维质的纤维状非纺织材料或其混合非纺织材料组合。非纺织材料包含宽范围的厚度、旦尼尔、基本重量和表面化学性质。特别关注的是用作在电池制造工序内活性材料沉积的基础的非纺织组合物。这些非纺织材料(通常称为裱糊纸)可以化学官能化或者可以以粘附具有产生凝胶结构能力的特定材料的这种方式处理通过该凝胶结构获得电解质，并将电解质保持在与电极表面邻近的原地，从而提供电池电化学性能可能的益处。
除了粘附与隔膜进行共同压花材料的胶凝剂之外，可部署对电池性能具有影响的其他材料。这些材料包括但不限于硫酸钠以增加电解质性质，化学活性矿物质以由电解质清除污染物质和含碳物质以增加充电接收性能和增加表面积。
在共同压花实施方案内可能优选的优势是替换粘附层压板材料的固定剂至隔板表面。诸如工业胶水的固定剂含有有机化合物，其提供总可氧化碳(TOC)的来源至电池体系。一旦持续暴露于电池的氧化环境中，许多有机化合物变得电化学不稳定，得到可导致电池过早破坏的TOC水平。在电池的循环寿命内，在氧化侵蚀下可破坏所利用的粘合剂，使得层压板材料由隔板游离。
共同压花实施方案的又一可能优选的益处是通过产生单块结构使物理强度增强，该单块结构由这些共同压花的材料组成。增强抗氧化性以及增强流体输送性质(旁侧和在Z轴中)可正向影响双轴刚度。
不限制压花肋、模式、设计、特征和/或性质，并可通过改变压花工具、待压花的材料、任何添加剂或者试剂等来变化。
优选的压花隔板可以为外壳或袋，碎料或者叶隔板，或者具有任选层压板、玻璃垫或合成非纺织材料的包装纸，外壳，囊，袋，以及在隔板正对面上可具有较小横断面交叉肋作为主要纵向肋(至少在压花之前)。
根据至少选择的实施方案，本发明也涉及在至少一个实施方案中用于制造这些压花电池隔板的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供由热塑性塑料聚合物制成和具有纵向和宽度方向以及与纵向平行的侧边的板材，所述板材具有纵向主肋，所述主肋在纵向中延伸，并与板材在板材的至少一侧处整体成形，其中主肋相对彼此具有距离以及其中板材具有微孔结构，所述微孔结构具有孔隙率；
b)在纵向中填充板材至压花装置内；以及
c)使用相对凹凸辊压膜具有较大肋的肋状板材以提供更厚的隔板、致密结构等。
优选地，通过压花在本发明的方法中的肋状板材，在肋状区域中的结构为致密的，并且与肋间板材的微孔结构的平均孔隙率相比，孔隙率降低。
没有对压花肋的图案或者方向进行限制(如所示它们可以为正弦形、斜线、直线、曲线等)。
总之，所有耐酸性热塑性塑料聚合物均适合用于根据本发明的隔板的板材。优选的热塑性塑料聚合物为聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯，特别优选高分子量的聚乙烯(例如，超高分子量聚乙烯UHMWPE)。加入诸如无定形二氧化硅的无机填料和组合物也可制作板材，并且这类板材的制造是本领域总所周知的。代表性配制物可在美国专利No.3,351,495、No.5,230,735和No.7,445,735中找到，其各自通过引用方式并入本文中。
依照本发明的至少选择的实施方案、目的、实施例或者方面，本发明涉及或者提供改善、新型、改进型和/或更加坚固的压花电池隔板，隔板外壳，复合体，层压板，电池和/或方法；改善、新型、改进型和/或更加坚固的用于蓄电池的压花电池隔板，隔板外壳，电池，和/或方法，制造的方法，外壳压花隔板，包括所述压花隔板和/或外壳的电池，和/或用于制造和/或使用所述压花隔板、压花外壳、和/或包括这些压花隔板和/或外壳的电池的相关方法；改善、新型、改进型或者更加坚固的用于铅酸或者蓄电池的压花电池隔板,用于制造的方法，外壳压花隔板，包括所述压花隔板和/或外壳的电池，和/或用于制造和/或使用所述压花隔板、压花外壳、和/或包括这些压花隔板和/或外壳的电池的相关方法等。
在没有违背精神及其主要属性下可以其他形式实施本发明，相应地，应当参照所附权利要求书而不是前述说明书来表明本发明的保护范围。例如，改善的电池可包括多种本发明的电池隔板或外壳隔板。

Claims (20)

1.一种蓄电池的电池隔板，其包括微孔膜，该微孔膜具有至少一个压花肋和致密的、硬质的内骨架，其中，所述至少一个压花肋沿纵向延伸；所述致密的、硬质的内骨架包括纵向延伸直肋的压缩部分，压缩的纵向的所述肋的高度小于所述压花肋的高度。
2.如权利要求1所述的电池隔板，其中，所述压花肋是正弦曲线的。
3.如权利要求1所述的电池隔板，其中，所述微孔膜包括热塑聚合物和填料的混合物，并且具有多个贯穿的微孔。
4.如权利要求1所述的电池隔板，其中，所述微孔膜由热塑聚合物、填料和孔形成剂组成。
5.如权利要求1所述的电池隔板，其中，所述微孔膜具有5％或更小的随时间改变的参数，该参数选自：厚度、回弹性和/或压缩性。
6.如权利要求1所述的电池隔板，进一步包括粘接至所述微孔膜的脸上的裱糊纸。
7.如权利要求6所述的电池隔板，其中，所述裱糊纸是非织物。
8.如权利要求6所述的电池隔板，其中，所述裱糊纸与所述微孔膜一起被压花。
9.如权利要求6所述的电池隔板，进一步包括粘接至所述裱糊纸上的胶凝剂。
10.如权利要求9所述的电池隔板，其中，所述胶凝剂选自：硫酸钠、化学活性矿物质、含碳物质。
11.如权利要求6所述的电池隔板，其中，所述裱糊纸没有固定剂。
12.如权利要求11所述的电池隔板，其中，所述固定剂是含有机化合物的工业胶水。
13.如权利要求1所述的电池隔板，进一步包括粘接至所述微孔膜的脸上的共同压花的材料。
14.如权利要求1所述的电池隔板，其中，所述微孔膜的形式选自：外壳、叶或包装纸。
15.一种电池，其包括如权利要求1所述的电池隔板。
16.一种电池，其包括如权利要求6所述的电池隔板。
17.一种电池，其包括如权利要求8所述的电池隔板。
18.一种电池，其包括如权利要求13所述的电池隔板。
19.一种蓄电池的电池隔板，其包括微孔膜，该微孔膜具有至少一个压花肋和致密的、硬质的内骨架，其中，所述至少一个压花肋沿纵向延伸；所述致密的、硬质的内骨架包括纵向延伸直肋的压缩部分；非压缩的所述纵向直肋的高度小于所述压花肋的高度。
20.一种电池，其包括如权利要求19所述的电池隔板。
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