CN104160526A - 具有通用外形要素的铅酸蓄电池设计 - Google Patents

Abstract

一种电化学存储设备，包括多个层电极，其中，每个层电极包括：第一充电段和第二充电段，其中，该第二充电段与该第一充电段相比被反向充电，并且其中，该多个层电极相对于彼此装配，使得该多个层电极的第一板的第一充电段被铺设在该多个层电极的第二板的第二充电段下方，第二板位于该第一板紧接上方，其中，该第一板和该第二板的第一充电段的电荷具有第一符号，并且该第一板和该第二板的第二充电段的电荷具有与该第一符号相反的第二符号；隔板段，该隔板段位于所述第一板的第一充电段和所述第二板的第二充电段之间，并且使得所述第一板的第一充电段和所述第二板的第二充电段之间进行离子电荷交换。

Description

具有通用外形要素的铅酸蓄电池设计

相关申请

本申请是于2012年9月25日提交的标题为“Lead-acid batterydesign having versatile form factor(具有通用外形要素的铅酸蓄电池设计)”的申请No.13/626426的部分继续申请，该申请No.13/626426为于2012年1月13日提交的标题也为“Lead-acid battery design havingversatile form factor(具有通用外形要素的铅酸蓄电池设计)”的申请No.13/350,686的部分继续申请，该申请No.13/350,686合并了同时提交的标题为“Improved Substrate for Electrode of Electrochemical Cell(用于电化学电池的电极的改进的衬底)”的美国申请No.13/350,505的整个公开内容。本申请通过引用而合并所有以上列出的申请的整个内容。

技术领域

本公开的实施例大体涉及电化学电池。更具体地，本公开的实施例涉及铅酸电化学电池的设计。

背景技术

铅酸电化学电池在商业上已经成功作为能量电池超过一百年。例如，铅酸蓄电池广泛用于汽车工业中的起动、照明、和点火(SLI)应用。

作为铅酸蓄电池的替代，镍金属氢化物(“Ni-MH”)和锂离子(“Li离子”)电池已经用于混合车辆应用和电动车辆应用。尽管它们较高的成本，但是由于与铅酸蓄电池相比，Ni-MH和Li离子的较高比能和能量密度，所以对于混合车辆应用和电动车辆应用，Ni-MH和Li离子电化学品一直比铅酸电化学品更受亲睐。

虽然铅酸蓄电池、Ni-MH蓄电池、和Li离子蓄电池各自已经经历了商业化成功，但是传统上，这三个类型的电化学品中的每一个均已经被限制于某些应用。图18示出已经在汽车应用中使用的各种类型的电化学电池的能量比较图(Ragone plot)，其描绘出与其它技术相比它们各自的比功率和比能。

铅酸蓄电池技术低成本、可靠、并且相对安全。诸如车辆的全面电气化或局部电气化的某些应用和备用电源应用需要比传统SLI铅酸蓄电池所具有的比能更高的比能。如表1所示，铅酸蓄电池由于部件的重量而遭受低比能。因此，对于需要高比能的各种应用，包括某些汽车和备用电源应用，仍然存在对低成本、可靠的并且相对安全的电化学电池的需要。

铅酸蓄电池具有许多优势。首先，它们是能够在世界上任何地方被制造的低成本技术。因此，铅酸蓄电池的生产能够容易地扩大规模。在各种尺寸和设计中，大量铅酸蓄电池是可用的。此外，它们具有良好的高速率性能和中等良好的低温和高温性能。铅酸蓄电池是电效率高的，具有75％至80％的周转效率，提供良好的“浮动”服务(在这种情况下，电荷通过涓流充电而被维持在满电荷水平附近)，并且呈现良好的电荷保持。此外，虽然铅是有毒的，但是铅酸蓄电池部件容易回收。极端高比例的铅酸蓄电池部件(超过95％)通常被回收。

铅酸蓄电池还具有某些缺点。它们特别在深放电应用中提供相对低的循环寿命。由于铅部件和需要用来加固板的其它结构部件的重量，铅酸蓄电池通常具有有限的能量密度。如果铅酸蓄电池在放电条件下被存储持续很久的周期，则会发生电极的硫酸化，从而损害电池并且削弱其性能。此外，在一些设计中，能够析出氢气。

与铅酸蓄电池相反，Ni-MH蓄电池使用金属氢化物，该金属氢化物与诸如氢氧化镍的常规正电极一起作为有源负材料。Ni-MH蓄电池特别是在相对低深度的放电下具有相对长的循环寿命。Ni-MH蓄电池的比能和能量密度高于铅酸蓄电池的比能和能量密度。此外，Ni-MH蓄电池以小棱柱形和柱形电池被制造用于各种应用并且已经在混合电动车辆中被广泛采用。已经发现尺寸较大的Ni-MH电池在电动车辆中使用受到限制。

Ni-MH电化学电池的主要缺点是它们的高成本。Li离子蓄电池也有该缺点。此外，Li离子设计的能量密度和比能的改进已经超越最近几年中在Ni-MH设计上的前进。因此，虽然镍金属氢化物蓄电池当前具有比较十年前的设计大得多的功率，但是除了Li离子蓄电池的固有的较高工作电压之外，对于可能已经采用Ni-MH蓄电池的许多混合应用而言，Li离子蓄电池的进步已经使得Li离子蓄电池在技术上更具竞争性。

Li离子蓄电池已经不仅占据了二级消费电池市场的大量份额，而且还占据了OEM混合蓄电池、车辆、和电动车辆应用的大部分份额。Li离子蓄电池提供高能量密度和高比能，以及长循环寿命。例如，Li离子蓄电池在80％的深度放电下能够具有大于1000个循环。

Li离子蓄电池具有某些优势。它们是以各种形状和尺寸可用的，并且比具有可比较的能量容量(比能和能量密度)的其它二次电池轻得多。此外，它们具有较高的开路电压(通常～3.5V，相对于铅酸电池的2V)。与Ni-Cd并且在更小程度上与Ni-MH蓄电池相比，Li离子蓄电池不遭受“记忆效应”并且与Ni-MH蓄电池(至多20％每月)相比较具有低得多的自放电速率(近似5％每月)。

然而，Li离子蓄电池也具有某些缺点。它们是昂贵的。在较低温下，在1℃以上的充电和放电速率是有挑战性的，这是因为锂扩散减慢并且它不允许离子足够快地移动。此外，Li离子蓄电池使用液体电解质以允许更快的扩散速率，这导致在负电极处树枝状沉积物的形成，从而造成硬短路并且导致潜在的危险条件。液体电解质也在电解质/电极接口处形成沉积物(被称为SEI层)，这些沉积物会抑制电子迁移，从而间接地促使电池的倍率容量和容量随时间减小。这些问题会因高充电水平和升高的温度而恶化。Li离子电池如果在浮充条件下操作，则可能不可逆转地损失容量。不良的冷却和增加的内电阻促使电池内部温度增加，从而使电池寿命进一步缩短。然而，最重要的是，如果过热、过度充电、或过度放电，则Li离子蓄电池可能遭受热散逸。这会导致电池炸裂，使活性材料暴露于大气。在极端情况下，这会造成电池着火。深度放电可能使Li离子电池短路，造成不安全的再充电。

为了管理这些危险，Li离子蓄电池通常制造有昂贵且复杂的功率和热管理系统。在用于混合动力车辆的典型的Li离子应用中，电池模块的体积的三分之二可能被给予附属设备，以便进行热管理以及功率电子和电池管理，从而显著增加电池系统的总尺寸和重量及其成本。

除了铅酸蓄电池、Ni-MH蓄电池和Li离子蓄电池的不同的优点和缺点之外，这三种电化学的比能、能量密度、比功率、和粉末密度大大不同。在下表1中提供在HEV类型应用中所使用的系统的典型值。

表1

1.http://en.wikipedia.org/wiki/Lead_acid_battery,accessed Jan.11,2012.

2.Linden,David,ed.,Handbook of Batteries,3rd Ed.(2002).

3.http://info.a123systems.com/data-sheet-20ah-prismatic-pouch-cell,accessed Jan.11,2012.

虽然Ni-MH蓄电池和Li离子蓄电池化学品两者都声称在混合电动车辆中起到重要的作用，但是两种化学品比用于车辆推进辅助的铅酸蓄电池昂贵得多。本发明人认为，本公开的实施例能够大幅度提高铅酸蓄电池的电容，以对所有类型的混合车辆和电动车辆应用中的Ni-MH和Li离子电化学品提供可行的低成本替代方案。

特别地，对于Ni-MH蓄电池和Li离子蓄电池，某些应用(诸如，某些汽车电源应用和备用电源应用)已经被证实是有困难的。备用电源应用要求已经逐渐提高。如今的备用蓄电池必须确实不需要维修，必须低成本，具有长循环寿命，具有低的自放电，能够在极端温度下工作，并且最终，应具有高比能和高比功率。用以提高能量效率的新兴智能栅板应用需要大功率、长寿命、和较低成本，以便在市场中持续增长。

由于相对于由内燃机(“ICE”)发动的常规汽车而言，这些车辆的增加的成本，所以汽车制造商在投入电动车辆和混合车辆的车队中已经遇到相当大的消费者抵制。为了给内燃机发动的车辆提供符合成本效益的替代方案，环境和能量独立问题已经对制造商施加更大的压力。虽然混合车辆和电动车辆能够满足那个需要，但是它们通常依赖于支付对能量存储系统的较高成本的补贴。

下文的表2比较各种电池电化学品与内燃机(ICE)的应用及其在某些汽车应用中的目前角色。如表2中所使用的，“SLI”是指起动、照明、点火；“HEV”是指混合电动车辆；“PHEV”是指插电式混合电动车辆；“EREV”是指增程式电动车辆；并且“EV”是指纯电动车辆。

表2

SLI

起动/停止

功率辅助

再生

轻混

HEV

PHEV

EREV

EV

Pb酸

√

Ni-MH

√

√

√

√

Li离子

√

√

√

√

√

√

√

ICE

√

√

√

√

√

√

√

√

如表2所示，仍然存在对如下特定应用的需要：其中，车辆的局部电气化可以提供环境和能量效率优势，且没有与使用Ni-MH蓄电池和Li离子蓄电池的混合车辆和电动车辆相关联的相同水平的附加成本。甚至更具体地，在起动/停止汽车应用的领域中，存在对低成本节能电池的需要。

内燃机的负载循环中的特定点引起远大于其它情况的无效率。内燃机仅在相对窄范围的曲轴速度内有效地运转。例如，当车辆在停车处怠速时，在没有做有用功的情况下也消耗燃料。就燃料经济性方面而言，怠速车辆行驶时间、停止/起动时间、动力转向、空气调节、或其它动力电子部件运转引起大量无效率，快速加速事件同样如此。此外，在这些“起动-停止”条件下，来自车辆的环境污染比较来自移动的行驶车辆的环境污染恶劣得多。相对于这些更加极端操作条件而言，车辆的局部电气化已经被称为“微”或“轻”混合应用，包括起动/停止电气化。微混合和轻混合技术不能替代与作为全混合或电动车辆的内燃料机所输送的功率同样多的功率。尽管如此，它们能够以符合成本效益方式大幅度提高燃料效率，且没有与全混合或全电动车辆应用相关联的大量资本支出。

常规铅酸蓄电池尚未能够实现该角色。已经对常规铅酸蓄电池进行设计和优化，以便用于SLI操作的特定应用。对轻混合应用的需要是不同的。对于轻混合应用，需要开发和优化新过程、设计和生产过程。

对轻混合应用的一个需要是低重量的电池。常规铅酸蓄电池是相对重的。这使得电池具有低比能，这是因为铅部件和对板提供刚度所必要的其它结构部件的相当大的重量。SLI铅酸蓄电池通常具有较薄的板，从而提供需要用于产生起动发动机所需的功率的增加的表面面积。但是，因为铸造工艺和悬挂栅板的力学性能，所以栅板厚度被限制于最小有用厚度。正电极上的最小栅板厚度还通过腐蚀过程确定。正极板很少小于0.08”(主外侧框架线)，并且在面线上很少小于0.05”，这是因为在生产速率下的铸造困难，以及更加重要地是，对不良循环寿命的担忧问题。这些参数限制了功率。被设计用于较深放电应用(诸如，用于叉车的原动力)的铅酸蓄电池通常具有较重的板，以使得它们能够抵抗这些应用中的较深的放电深度。

此外，在典型的铅酸蓄电池中，活性材料通常形成为糊剂，该糊剂被施加到栅板，以便形成作为复合材料的板。虽然糊剂容易附着到它本身，但是因为糊剂的收缩问题，所以糊剂不易附着到栅板材料。这需要使用更大量的且包含附加结构部件的栅板来帮助支撑活性材料，这进而对电池施加额外的重量负担。

此外，在常规铅酸蓄电池的制造期间，部件遭受多种机械应力。将活性材料糊到栅板上会对栅板的网格结构施加应力。扩张的金属栅板比铸造的栅板轻，然而，扩张的栅板本身的成型在扩张的栅板的每一个节点处引入应力。在电极糊贴、处理、和电池工作期间经受大量机械应力的这些各种结构材料在活化之后趋向于在电池的酸氧化环境中更容易腐蚀，特别是当使用薄板来增加功率时。

例如，铸造和扩张的金属栅板在电池的寿命期间由于将铅金属转换为PbO₂的分子体积改变而具有非均匀应力。因为在铸造和扩张的金属中的栅板线的不规则的截面形状，所以腐蚀产物的体积改变以非均匀方式对栅板施加巨大应力。

对轻混合应用的另一个需要是，可再充电蓄电池应能够以每个循环小于0.001％能量损耗被充电和放电。这是该设计的内阻和克服该内阻所需要的过电压的函数。反应应是高能效的并且应涉及可能限制循环寿命的对蓄电池的最小物理改变。副化学反应可能使电池部件退化，造成寿命损失，产生气态副产品，或能量损失应是最小的或不存在。此外，期望地，可充电蓄电池应在宽范围的温度内具有高比能、低电阻、和良好的性能并且能够减小因晶格扩张而引起的结构应力。当为最小电阻来优化设计时，充电和放电效率将显著提高。

铅酸蓄电池具有这些特性中的许多特性。充放电过程基本上是高度可逆的。铅酸系统已经被广泛研究并且二次化学反应已经被识别。并且，其有害的效应已经使用催化剂材料或工程方法而得到减轻。虽然其能量密度和比能相对低，但是铅酸蓄电池在宽温度范围内运行可靠，具有良好的性能和良好的循环寿命。铅酸蓄电池的主要优点仍然是它们的低成本。

典型的铅酸电化学电池使用二氧化铅作为正极板中的活性材料并且使用金属铅作为负极板中的活性材料。这些活性材料在原位形成。通常，充电的正电极包含PbO₂。电解质是硫酸溶液，通常约1.2比重或37％酸(按重量计算)。在典型的循环中，正负电极中的基本电极过程涉及PbO₂/Pb经溶解-沉淀机理的成型，从而引起正电极结构内非均匀的应力。在放电-充电机理中的第一阶段是双硫化化成反应。电解质中的硫酸通过放电而消耗，同时产生水，作为产物。不像许多其它电化学系统，在铅酸蓄电池中，电解质本身是活性材料并且能够是电容限制的。

在常规铅酸蓄电池中，主要起始材料为高度净化的铅。铅用于产生铅氧化物，以便首先将铅氧化物转换成糊剂，最终转换成二氧化铅正活性材料和海绵铅负活性材料。纯铅因为加工问题一般太软。而不能被用作栅板材料，除非呈非常厚的板或螺旋卷绕蓄电池。通常通过添加合金元素使铅变硬。这些合金元素中的一些是晶粒细化剂和腐蚀抑制剂，而其它合金元素对于栅板生产或蓄电池性能一般可能是有害的。在铅/铅栅板的腐蚀中的减轻因素之一是在铅上的析氢的高氢过电势。由于大多数腐蚀应伴随析氢作为阴极反应，所以减少的析氢还可以抑制阳极腐蚀。

栅板的目的是形成活性材料的支撑结构以及承载在从活性材料到电池端子的放电期间所产生的电流。机械支撑还能够由诸如聚合物、陶瓷、和其它部件的非金属元件来提供。但是，这些部件是不导电的。因此，它们增加重量，而不对电池的比能做贡献。

氧化铅被转化成面团状材料，该面团状材料能够被固定到形成板的栅板。糊剂被一体化形成到栅板中的过程称为糊贴。糊贴能够是“带”挤出的形式。糊剂通过手抹子或通过机器被挤压到栅板间隙中。通过在栅板上面的漏斗的间隔或涂抹的类型来调节所施加的糊剂的量。在板被糊贴时，水被迫使从糊剂中出来。

SLI铅酸板的典型固化过程对于正负板而言是不同的。通常水在闪蒸干燥机中被从板驱走，直至在板中剩余的水量在约8％至20％(按重量计算)之间为止。正极板在(<55℃+/-5℃)的低温和高湿度下被湿热定形持续24至72小时。负极板在约相同的温度和湿度下被湿热定形持续5至12小时。负极板可以被干燥至8％至20％范围的下限端，并且正极板可以被干燥至该范围的上限端。最近，制造商使用其中温度和湿度更精确地受到控制的固化炉。在常规工艺步骤中，“湿热定形过程”使得“糊剂”活性材料收缩，这种收缩进而使得糊剂以非均匀方式脱离栅板。暴露的栅板金属优先被腐蚀，并且由于它在局部不与活性材料接触，所以导致增加的电阻以及化成(formation)和寿命问题。

一个简单的电池由一个正极板和一个负极板构成，且有一个隔板定位在该一个正极板和一个负极板之间。最实用的铅酸电化学电池组包含3个至30个之间的板，且隔板在这些板之间。通常使用叶片式隔板，但是也可以使用包封状隔板。隔板使每个板与其最近的配对电极电绝缘，但是必须是足够多孔的，以允许酸在板中输送或从板中输出。

各种不同的过程被用来将蓄电池壳体和盖密封在一起。为了使与酸性电解质、因过度充电而产生的爆炸性气体和电击相关联的安全灾害最小化，封闭式电池是必要的。大多数SLI蓄电池通过壳体和盖的熔合而密封，但是一些深循环蓄电池被加热密封。多种胶粘物、夹具和紧固件在本领域也是熟知的。

通常，在电池已经完全被装配之后开始化成。化成使活性材料活化。然后，对蓄电池进行试验、包装和装运。

在优化铅酸蓄电池用于各种备用电源和运输用途方面，必须考虑许多权衡。高功率密度要求电池的初始电阻是最小的。高功率和能量密度还要求板和隔板是高孔隙度的。相比之下，高循环寿命要求被优化的隔板、浅放电深度以及衬底栅板中合金元素的存在，以减轻腐蚀。进一步相比之下，低成本要求最小的固定成本和可变成本、高速自动化处理，并且要求没有高档材料被用于栅板、糊剂、隔板、或其它电池和蓄电池部件。

在铅酸电化学电池的基本设计中已经实现了许多改进。这些改进中的许多已经涉及衬底、活性材料、以及汇流条或收集器元件。例如，各种纤维或金属已经被添加或嵌入在衬底材料中，以帮助加强衬底材料。已经利用各种材料来加强活性材料，所述各种材料包括合成纤维和其它添加物。特别地，相对于铅酸蓄电池，这些各种途径表示耐久性、电容、和比能之间的权衡。各种非导电加强元件的添加帮助加强支撑栅板，但是用非导电部件替换导电衬底和活性材料。

为了减小铅酸电化学电池相对于它们的比能的重量，已经公开了各种改进。一个途径是用足够的铅涂覆轻重量、高抗张强度纤维，以形成能够被用来支撑电极的栅板的复合线。Robertson在美国专利No.275,859中公开了一种用于将铅挤出到核心材料上以便用作电报电缆的设备。Barnes在美国专利No.3,808,040中公开了通过沉积合成树脂条来加强导电网格结构，以充当栅板元件。具体地，Barnes在’040专利中公开了一种铅涂覆玻璃纤维。然而，这些途径已经无法产生具有足够高耐腐蚀性的性质和高抗张强度的材料，以至于无法制造商业上可行的能够幸免于来自电解质的化学侵蚀的铅酸蓄电池。

Blayner等人已经公开了衬底的组合物中的进一步的改进以减轻电极重量以及增加导电材料的比例。Blayner，美国专利No.5,010,637和4,658,623。Blayner公开了一种用于利用挤出的抗腐蚀金属来涂覆纤维的方法和设备。Blayner公开了各种核心材料，这些核心材料能够包括高抗张强度纤维材料，诸如光学玻璃纤维或高度导电金属丝。类似地，Blayner公开了挤出的抗腐蚀金属能够是诸如铅、锌、或镍的多种金属中的任一种。

Blayner公开的是，抗腐蚀金属通过模具挤出。在金属被挤出到核心材料上时，通过模具拉拔核心材料。利用挤出的抗腐蚀金属的均匀层来涂覆金属丝或纤维的连续长度。然后，使用导线来编织屏蔽物，该屏蔽物充当活性材料的衬底。在编织线的交叉点处，不存在熔合点。使用这样的屏蔽物作为栅板且将活性材料施加到该栅板，可以构造电极。使用一对电极构造了可再充电的铅酸电化学电池。

Blayner公开了与芯部材料上的金属涂层的颗粒结构相关的进一步的改进。具体地，Blayner公开的是，挤出的抗腐蚀金属具有纵向取向的颗粒结构和均匀的颗粒粒度。美国专利No.5,925,470和6,027,822。

Fang等在他们的论文“Effect of Gap Size on Coating Extrusion ofPb-GF Composite Wire by Theoretical Calculation and ExperimentalInvestigation”J.Mater.Sci.Technol.,Vol.21,No.5(2005)中公开了优化挤出涂铅玻璃纤维中的间隙。虽然Blayner未公开间隙尺寸和涂铅复合线的挤出之间的关系，但是Fang将间隙尺寸特征化为连续涂覆挤压过程的关键参数。Fang报告，0.12mm和0.24mm之间的间隙是必要的，且0.18mm的间隙是最佳的。Fang进一步报告，连续纤维复合线能够增强负载并且改进能量利用。

本发明人已经发现，尽管在用于汽车应用的铅酸电化学电池中的改进，但是对于类似的应用，较早的已知铅酸蓄电池尚未能够达到与Li离子电池或Ni-MH电池相同的性能。因此，在铅酸电化学电池的设计和组合物中存在进一步的改进以满足汽车电源和备用电源的专门需要。特别地，在不会引起由Li离子电化学电池引起的相同的安全问题的某些应用中，存在对锂离子电化学电池的可靠替换的需要。类似地，在铅酸电化学电池的低成本和可靠性的增加益处的情况下，存在对Ni-MH电化学电池和Li离子电化学电池的可靠替换的需要。此外，为了满足汽车电源段和备用电源段的增长的需要，存在对蓄电池生产能力上的重大改进的需要。

美国能源部(USDOE)已经颁布了用于汽车车队的公司平均燃料效率(CAFE)指南。先前，SUV和轻型卡车不被包括在机动车辆的CAFE平均内。然而，最近，已经出现指定用于乘客车辆、轻型卡车和SUV的燃料效率标准的综合指南。这些指南要求到2016年，每加仑31.4英里的平均燃料效率。http://www.epa.gov/oms/climate/regulations/420r10009.pdf.

内燃机技术中预期改进似乎不能达到该目的。类似地，纯混合车辆和纯电动车辆的制造能力似乎不足以达到该目的。因此，可以预见，为了满足CAFE标准，微混或轻混的一些组合将是必需的，其中，电化学电池提供一些功率，用于停止/起动或某些加速应用。

铅酸电池系统在这些应用中可以提供对Li离子蓄电池或Ni-MH蓄电池的可靠替换，而没有与Li离子电化学相关联的实质性安全问题和与Li离子蓄电池和Ni-MH蓄电池两者相关联的增加的成本。

此外，本发明的改进的蓄电池在混合系统中可以与其它类型的电化学电池组合，以提供为独特汽车应用定制的电功率。例如，本发明的以高功率为特征的铅酸蓄电池能够与提供高能量的锂离子(“Li离子”)或镍金属氢化物(“Ni-MH”)电化学电池结合，以提供为特定汽车备用电源或固定电源应用的需要而定制的复合电池系统，同时减小每个部件的相对尺寸。

发明内容

本公开一方面包括具有电极组件的电化学电池，其中，该电极组件可以包括多个电极板。每个电极板可以包括具有第一部分和第二部分的电流收集器，并且其中，每个第一和第二部分可以具有第一表面和与该第一表面相对置的第二表面。第一部分的第一和第二表面可以包括带正电荷的活性材料，并且第二部分的第一和第二表面可以包括带负电荷的活性材料。多个电极板可以包括至少三个电极板，使得电化学电池可以被布置成，所述至少三个电极板的一个板的第一部分电化学地连接到所述至少三个电极板的第二板的第二部分，并且所述至少三个电极板的第二板的第一部分可以电化学地连接到所述至少三个电极板的第三板的第二部分。

在各实施例中，电化学电池可以包括下列单独的或组合的特征：每个电极板可以包括将第一部分连接到第二部分的多个电极连接器；每个电极板可以包括分路电流减小装置；电流收集器可以包括均匀的电流密度；第一隔板可以附接到第一部分的第一表面，并且第二隔板可以附接到第二部分的第一表面；多个电极组件可以串联堆叠以便建立电压；绝缘体可以连接到顶部电极板，并且绝缘体可以在其中包括至少一个狭缝，且电极板延伸通过该狭缝；电化学电池可以是铅酸电化学电池；电极组件可以连接到极耳(tab)；至少两个电极组件可以并联堆叠，以便建立电容；可能存在至少一个功率总线组件，该功率总线组件包括至少一个螺栓，以便建立电容；电极板中的至少两个可以以90°角度相对于彼此电化学地连接；并且电化学电池可以包括从圆形、矩形、方形、L形、或U形中的一个选出的截面形状。

在一些实施例中，电化学存储设备包括：多个层电极，其中，每个层电极包括第一充电段和第二充电段，其中，该第二充电段与该第一充电段相比被反向充电，并且其中，该多个层电极相对于彼此装配，使得该多个层电极的第一板的第一充电段被铺设在该多个层电极的第二板的第二充电段下方，该第二板位于该第一板紧接上方，其中，第一板和第二板的第一充电段的电荷具有第一符号，并且第一板和第二板的第二充电段的电荷具有与该第一符号相反的第二符号；隔板段，该隔板段位于第一板的第一充电段和第二板的第二充电段之间，并且能够在第一板的第一充电段和第二板的第二充电段之间进行离子电荷交换。

在一些实施例中，第一板的第二充电板铺设在第二板的第一充电段的下方，且电化学设备进一步包括绝缘体段，该绝缘体段位于第一板的第二充电段和第二板的第一充电段之间并且防止在第一板的第二充电段和第二板的第一充电段之间进行离子或导电电荷交换。在一些实施例中，多个层电极中的每一个是圆形的。

在一些实施例中，每个段具有半圆形状，该半圆形状的尺寸被设计为约为对应的层电极的一半。在一些实施例中，多个层电极的每个板进一步包括容纳对应的板的第一充电段和第二充电段的框架。在一些实施例中，电化学存储设备进一步包括用于盖住多个层电极的第一帽件和第二帽件。在一些实施例中，电化学存储设备进一步包括用于在第一充电段和第二充电段之间提供导电连接的导电衬底。

在一些实施例中，多个层电极中的每一个具有矩形形状。在一些实施例中，每个段具有半矩形形状，该半矩形形状的尺寸被设计为约为对应的所述层电极的一半。

在一些实施例中，电化学存储设备包括：第一电化学电池和第二电化学电池，该第一电化学电池和该第二电化学电池布置在公共的壳体中并且各自包括阳极和阴极，其中，该第一电化学电池的阳极被布置成与该第二电化学电池的阴极相对置；隔板，该隔板布置在第一电化学电池的阳极和第二电化学电池的阴极之间，其中，第一电化学电池的阳极和第二电化学电池的阴极是电绝缘的并且通过在隔板中吸收的离子传导介质连通；公共电流收集器，该公共电流收集器布置在第一电化学电池的阳极和第二电化学电池的阴极上，其中，第一和第二电化学电池电连接并且防止离子传导，并且其中，第一和第二电化学电池的离子分离(ionic separation)减小了分路电流。

在一些实施例中，该设备进一步包括所述提供大致均匀的电流收集的电流收集器，该大致均匀的电流提供均匀的电流密度。在一些实施例中，该设备进一步包括疏水涂层，该疏水涂层布置在公共电流收集器的在所述阳极和所述阴极之间的那一部分上。在一些实施例中，该设备进一步包括用以使所述第一和第二电化学电池离子绝缘的物理屏障。在一些实施例中，该设备进一步包括一个正端子接头和一个负端子接头。在一些实施例中，该设备进一步包括绝缘框架，该绝缘框架用于将两个或更多个电化学电池的阳极和阴极布置在大致相同的平面内。

在一些实施例中，螺旋卷绕电化学存储设备包括：柱形电池组，该柱形电池组包括电池叠层，其中，该电池叠层包括从平坦构造卷起以形成柱形电池叠层的电池条；和用于容纳柱形电池组的柱形壳体。在一些实施例中，电池叠层是被包括在柱形电池组中的多个电池叠层中的第一电池叠层，并且其中，多个电池叠层串联连接。在一些实施例中，电池叠层包括多个条，该多个条包括正半电极条、负半电极条、和隔板半部条，并且其中，铺设所述多个半条以形成电池叠层。一些实施例进一步包括中心心轴，其中，电池叠层绕该中心心轴被卷起。

在一些实施例中，制造螺旋卷绕电化学存储设备的方法包括：提供平坦电池条；卷起平坦电池条，呈柱形电池叠层的形式；将柱形电池叠层连接到正端子并且连接到负端子；和将柱形电池叠层插入柱形壳体中。在一些实施例中，平坦电池条是多个电池条中的第一电池条，并且该方法进一步包括：铺设多个平坦电池条以形成多个电池叠层；串联连接该多个电池叠层；和卷起该多个电池叠层，以形成柱形电池组。在一些实施例中，电池叠层包括多个条，该多个条包括正半电极条、负半电极条、和隔板半部条，并且该方法包括铺设所述多个半条以形成电池叠层。一些实施例包括：提供中心心轴；和绕该中心心轴卷起平坦电池条，以形成柱形电池叠层。

在一些实施例中，电化学存储设备包括：电化学电池组，其中，该电化学电池组终止于极耳中；和由一片金属形成的功率总线，其中，该功率总线将极耳电连接到设备端子，并且其中，通过将金属片焊接到极耳，该功率总线被附接到极耳。在一些实施例中，金属片通过超声焊接附接到极耳。在一些实施例中，金属片被折叠，以形成顶表面、前表面和后表面，并且其中，顶表面电连接到设备端子，并且前表面环绕极耳被焊接。在一些实施例中，极耳是多个极耳中的一个极耳，并且其中，通过将金属片焊接到对应的极耳，功率总线被附接到该多个极耳中的每一个极耳。在一些实施例中，功率总线在不同的点处具有不同的电阻率，以在多个极耳和设备端子之间提供均衡总电阻。在一些实施例中，功率总线通过在不同的点处具有不同的厚度而在不同的点处具有不同的电阻率。在一些实施例中，功率总线通过在所述功率总线的一些位置处形成孔而在不同的点处具有不同的电阻率。

在一些实施例中，制造电化学存储设备的方法包括：提供电化学电池组，其中，该电化学电池组终止于极耳中；提供包括平坦金属片的功率总线段；将该平坦金属片折叠并且焊接到极耳；和将功率总线电连接到设备端子。在一些实施例中，将平坦金属片焊接到极耳包括将金属片超声焊接到极耳。在一些实施例中，折叠平坦金属片包括形成顶表面、前表面和后表面，其中，顶表面电连接到设备端子，并且前表面环绕极耳被焊接。在一些实施例中，极耳是多个极耳中的一个极耳，其中，通过将金属片焊接到对应的极耳，功率总线被附接到该多个极耳中的每一个极耳。一些实施例进一步包括通过使功率总线的电阻率在不同的点处不同而在每一个极耳和设备端子之间提供均衡总电阻。在一些实施例中，使功率总线的电阻率在不同的点处不同包括使功率总线的厚度在不同的点处不同。在一些实施例中，使功率总线的电阻率在不同的点处不同包括在功率总线的一些位置处形成孔。

在一些实施例中，电化学存储设备包括：多个层电极，其中，每个层电极包括第一充电段和第二充电段，其中，该第二充电段与该第一充电段相比被反向充电，并且其中，该多个层电极相对于彼此装配，使得该多个层电极的第一板的第一充电段被铺设在该多个层电极的第二板的第二充电段下方，该第二板位于第一板紧接上方，其中，第一板和第二板的第一充电段的电荷具有第一符号，并且第一板和第二板的第二充电段的电荷具有与该第一符号相反的第二符号；隔板段，该隔板段位于第一板的第一充电段和第二板的第二充电段之间，并且能够在第一板的第一充电段和第二板的第二充电段之间进行离子电荷交换。

在一些实施例中，第一板的第二充电板铺设在第二板的第一充电段的下方，电化学设备进一步包括绝缘体段，该绝缘体段位于第一板的第二充电段和第二板的第一充电段之间并且防止第一板的第二充电段和第二板的第一充电段之间的离子或导电电荷交换。在一些实施例中，多个层电极中的每一个是圆形的。在一些实施例中，每个段具有半圆形状，该半圆形状的尺寸被设计为约为对应的层电极的一半。在一些实施例中，多个层电极的每个板进一步包括容纳对应的板的第一充电段和第二充电段的框架。

一些实施例进一步包括用于盖住多个层电极的第一帽件和第二帽件。一些实施例进一步包括用于在第一充电段和第二充电段之间提供导电连接的导电衬底。在一些实施例中，多个层电极中的每一个具有矩形形状。在一些实施例中，每个段具有半矩形形状，该半矩形形状的尺寸被设计为约为对应的所述层电极的一半。

在一些实施例中，电化学存储设备包括：第一电化学电池和第二电化学电池，该第一电化学电池和该第二电化学电池布置在公共的壳体中并且各自包括阳极和阴极，其中，该第一电化学电池的阳极被布置成与该第二电化学电池的阴极相对置；隔板，该隔板布置在第一电化学电池的阳极和第二电化学电池的阴极之间，其中，第一电化学电池的阳极和第二电化学电池的阴极是电绝缘的并且通过在隔板中吸收的离子传导介质连通；公共电流收集器，该公共电流收集器布置在第一电化学电池的阳极和第二电化学电池的阴极上，其中，第一和第二电化学电池电连接并且防止离子传导，并且其中，第一和第二电化学电池的离子分离减小了分路电流。

在一些实施例中，电流收集器提供大致均匀的电流收集，该均匀的电流收集提供均匀的电流密度。一些实施例进一步包括布置在阳极和阴极之间的公共电流收集器的那一部分上的疏水涂层。一些实施例进一步包括被构造成使第一和第二电化学电池离子绝缘的物理屏障。一些实施例进一步包括一个正端子接头和一个负端子接头。一些实施例进一步包括用于将两个或更多个电化学电池的阳极和阴极布置在大致相同的平面中的绝缘框架。在一些实施例中，导电衬底由无定形材料制成。在一些实施例中，导电衬底是丝网，丝网包括在从第一段指向第二段的方向上延伸的伸长直线。在一些实施例中，矩形的多个层电极中的每一个矩形具有在从第一段指向第二段的方向的宽度和垂直于该宽度并且大于该宽度的长度。一些实施例进一步包括内部段、基部和嵌入件，其中，该内部段包括所述多个层电极和隔板，并且其中，该基部被构造成形成电化学设备的外表面，并且其中，该嵌入件被构造成插入到基部和内部段之间并且进一步被构造成增加基部的刚度。

本公开的目的和优势将在接下来描述中部分地阐明并且将部分地从该描述显而易见，或可以通过本公开的实践学习。本公开的目的和优势将借助于在所附权利要求书特别指出的元件和组合来实现并且获得。

应当理解的是，前述总体描述和下列详细描述两者仅仅是示例性和解释性的，而不是对要求保护的本发明的限制。

合并在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出本公开的一个实施例并且与该说明书一起用于解释本公开的原理。

附图说明

图1是铅酸电化学电池的一部分的示意等轴测图，其示出在根据本公开的实施例的螺旋构造中连接的多个电极组件。

图2A是根据本公开的实施例的电极组件的一部分的示意等轴测图。

图2B是图2A的电极组件的一部分的分解等轴测图。

图3A和图3B是图2A的电极组件的侧视图。

图4A是图2A的电极组件的电极板的示意顶视图。

图4B是图4A的电极板连同伴随的隔板和糊贴纸的分解等轴测图。

图5是描绘电流收集器的图2A的电极组件的电极板的替代实施例的示意顶视图。

图6是根据本公开的实施例的铅酸电化学电池模块和封装的分解等轴测图。

图7是根据本公开的另一个实施例的在螺旋构造中连接的多个电极组件的示意等轴测图。

图8是图7的铅酸电化学电池的电极组件的一部分的分解等轴测图。

图9是根据本公开的另一个实施例的铅酸电化学电池模块的一部分的分解等轴测图。

图10是图9的串联连接的两个堆叠铅酸电化学电池模块的示意等轴测图。

图11是根据本公开的另一个实施例的电极板的示意等轴测图。

图12是根据本公开的另一个实施例的局部电极组件的分解等轴测图。

图13是根据本公开的另一个实施例的具有以堆叠构造的多个电极组件的铅酸电化学电池的一部分的示意等轴测图。

图14A是图13的连接到功率总线的铅酸电化学电池的示意等轴测图。

图14B是图14A的功率总线的分解等轴测图。

图15A-15D示出根据一些实施例的包括焊接的功率总线的电化学电池。

图15E-15H示出描绘根据一些实施例的帽件和基部嵌入件。

图16是根据本公开的另一个实施例的局部铅酸电化学电池模块、功率总线、和封装的分解等轴测图。

图17是根据本公开的另一个实施例的具有以堆叠构造的多个电极组件的铅酸电化学电池的示意等轴测图。

图18示出各种类型的电化学电池的能量比较图。

图19A-19F示出根据本公开的一些实施例的圆形板模块。

图20示出根据一些实施例的电池模块的电极组件。

图21示出根据一些实施例的两个圆形框架。

图22示出根据一些其它实施例的圆形框架的结构。

图23示出根据一个实施例的圆形模块覆盖件。

图24示出根据一些实施例的作为圆形板的直径的函数的圆形板模块的计算容量的特性。

图25示出根据一些实施例的形成为矩形盒的电池。

图26A-26H示出根据一些实施例的具有矩形外形要素的电池。

图27A和图27B示出根据一个实施例的具有192V电压构造的矩形电池。

图28A-28D示出根据一些实施例的具有圆扇形电极设计的电池。

图29A-29E示出根据各实施例的螺旋卷绕模块。

图30A示出根据一些实施例的螺旋卷绕模块的截面。

图30B示出根据一些实施例的通过电池组的电子流的路径。

图31示出根据一些实施例的螺旋卷绕模块的截面。

具体实施方式

下列详细描述参考附图。只要可以的话，在附图和下列描述中可以使用相同的附图标记来指示相同或类似的部分。另外，相似名称的元件可以执行相似的功能并且可以被相似地设计。阐明若干细节以提供对本文中描述的实施例的理解。在一些情况下，这些实施例可以在没有这些细节的情况下被实施。在其它情况下，可以不详细地描述熟知的技术和/或部件以避免使所描述的实施例模糊。虽然本文中描述了几个示例性实施例和特征，但是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，修改、改编、和其它实施方式是可能的。因此，下列详细描述并不限制本发明。替代地，本发明的适当的范围由所附权利要求书限定。

本公开的实施例大体涉及铅酸电化学电池的设计。铅酸电化学电池通常是呈叠层板的形式，且有隔板在这些板之间。因此，本公开的实施例涉及具有各种形状要素的电极板的改进的叠层。铅酸电化学电池设计的改进的叠层和各种外形要素可以使得将铅酸电化学电池用作铅酸蓄电池的组成部分成为可能，该铅酸电化学电池进而可以在汽车中使用，以辅助提高燃料效率。

更具体地，本公开的实施例可以包括对铅酸电化学电池的设计的改进，所述改进可以包括对电极板的取向的改进以及对于减小分路电流的改进。这些改进可能产生在维持较低重量和较小尺寸的同时可以具有较高电压的铅酸电化学电池。可替代地，它也使得在相同的相对电压下产生具有较高容量的电池成为可能。

本公开的实施例可以允许在车辆的微混和轻混合应用中单独或结合Ni-MH或Li离子蓄电池使用铅酸蓄电池。一些实施例使用具有50Wh/kg以上的比能和500W/kg以上的比功率的其它电化学蓄电池。然而，应强调，本公开的实施例并不限于运输工具应用和汽车应用。本公开的实施例可能在本领域的技术人员已知的期望使用铅酸蓄电池的任意领域中是有用的，该领域诸如用于备用电源情形的固定电源使用和能量存储系统。此外，本发明人预期，本文公开的各实施例的元件或部件可以与其它实施例的其它元件或部件一起使用。

图1描绘根据本公开的第一实施例的铅酸电化学电池10。铅酸电化学电池10可以包括多个电极组件12。每个电极组件12可以包括定位成彼此电化学接触的多个电极板。电极组件12可以连接在螺旋构造中，以在铅酸电化学电池内建立电压。特别地，螺旋构造可以使得铅酸电化学电池在维持恒定容量的同时建立电压成为可能。取决于铅酸电化学电池的期望的形状和期望的电压，构成是螺旋构造的电极组件的数量以及每个电极组件的构造可以不同。

此外，如图1所示，对于电极组件12的形状，螺旋构造可以具有形成在堆叠电极组件的中央的开口32。中央开口32可以延伸过整个螺旋构造，从而形成中心孔，该中心孔允许主要的正负极引线通过每个电极组件12并且连接到螺旋构造的顶部。

在铅酸电化学电池中的每个电极组件12可以由绝缘体14隔开(图2B)。绝缘体可以是电极组件的截面形状并且可以包括径向狭缝15。例如，在图1的实施例中，每个电极组件12的截面形状可以是半圆形的。因此，绝缘体14可以包括圆形形状和沿着半径的狭缝15。如图2B所示，绝缘体14可以进一步包括底表面和顶表面。此外，每个电极组件12可以包括多个电极板24，且顶部电极板24D与绝缘体14的顶表面和底表面两者相接触。例如，如图2B所示，一个电极组件的顶部电极板24D可以包括与绝缘体的底表面相接触的第一部分和与绝缘体的顶表面相接触的第二部分。铅酸电化学电池的螺旋构造可以通过将在一个电极组件12中的顶部电极板24D的第二部分连接到在另一个电极组件12中的底部电极板24A的第一部分来实现。

本公开的图2A和图2B描绘图1的铅酸电化学电池的电极组件12的示意图。如图2B所示，电极组件可以包括四个电极板24A-D。每个电极板可以是以半圆形截面的一半的形状，如图4A和图4B所示。

如图4A所示，每个电极板24可以包括第一部分28和第二部分30。第一和第二部分28和30可以由多个电极连接器26连接。每个部分可以包括衬底，该衬底可以是电流收集器(未示出)。如上所述，电极衬底可以是由Subhash Dhar等人与本文同时提交的美国申请No.13/350,505“Improved Substrate for Electrode of Electrochemical Cell(用于电化学电池的电极的改进的衬底)”中公开的类型，该美国申请的整个公开内容通过引用并入本文。

因此，衬底可以包括由导电材料形成的栅板状结构，在导电材料之间存在空间，以便支撑活性材料。因此，衬底可以包括片材材料，该片材材料具有以线性模式的对齐浅凹状空间或多个贯通孔。可替代地，衬底可以包括多片材料，诸如编织在一起以形成网的线。在进一步的实施例中，衬底可以包括扩张的材料片，该材料片具有贯通其的孔。衬底可以包括可能导致衬底和活性材料之间的增加附着以及增加的表面导电率和减小的电极板腐蚀的材料。

如图4A和图4B所示，每个电极板的正负部分被描绘为90°的段。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，在不脱离如权利要求书所述的范围或精神的情况下，可以采用各种替代几何形状的段。例如，段能够是30°、或45°、60°或任意其它适当的几何结构。如果采用90°的段，则4对正负电极可以包括每个层；如果采用60°的段，则6对正负电极可以包括每个层；如果采用45°的段，则8对正负电极可以包括每个层；如果采用30°的段，则12对正负电极可以包括每个层；依次类推。普通技术人员应领悟，随着每层的段的数量的增加，在半径不变的情况下，每个段中的活性材料的面积成比例地减小。能够通过随着段的数量增加而使电极的半径增大以提供更大的活性材料表面积而弥补这种减小。

衬底可以进一步形成为使得遍及每个电极板的相对恒定的电流密度可以得到保持。例如，在图4A的电极板的第一实施例中，电极板24可以包括大致半圆形形状。因此，电极板24的衬底也可以包括大致半圆形形状。可以通过将衬底的电流收集器元件在径向方向上在电极板的外侧半径处比在内径处间隔更近并且在板的内侧径向延伸处间隔更远来实现整个衬底的恒定电流密度，如图5所示。

可以将活性材料放置到衬底的每个部分上，使得可以形成伪双极电极板。该伪双极设计可以通过将正负活性材料两者布置在公共的衬底上的交变电场来完成。在图4A所示的一个实施例中，例如，伪双极设计可以包括将正活性材料放置到衬底的第一部分28上；以及将负活性材料放置到衬底的第二部分30上。该伪双极设计可以为铅酸电化学电池提供较低的电阻和较高的功率。此外，它可以使得铅酸电化学电池在较低的温度下工作，这可以减小对附属冷却设备的需要。如图4A和图4B所示，每个电极板24的第一部分28可以是正的16，并且每个电极板24的第二部分30可以是负的20，且电极连接器26在电极板的负区域和正区域之间。

每个电极板的每个正部16和负部20可以进一步包括顶表面和底表面。如图4B中所示，薄层糊贴纸22可以被布置在电极板的每个部分的顶表面和底表面上。另外，隔板18可以被布置成与在每个部分的底表面上的糊贴纸相邻。

如先前公开的，每个电极组件12可以包括四个电极板24A-D，如图2A和图2B所示。可以通过将每个板24相互以90°角度堆叠，使得一个板的正部16可以连接到另一个板的负部20，而形成电极组件12。在一个实施例中，例如，具有正部16和负部20的第一电极板24A可以是电极组件的底板。具有正部16和负部20的第二电极板24B然后可以被堆叠到第一电极板24A上。这可以通过将第二电极板24B相对于第一电极板旋转90°并且将第二板24B的正部16放置在第一板24A的负部20之上而完成(图2B)。可以以与先前讨论的同样的方式将具有正部16和负部20的第三电极板24C堆叠在第二板24B上；然后将第四电极板24D堆叠在第三电极板24C上。第四电极板24D可以是电极组件12的顶部电极板(图2B)。

在放置第四电极板24D之后，可以将绝缘体14放置在电极组件上。如先前所讨论并且在图2B中示出的，第四即顶部电极板24D的正部16可以连接到第三电极板24C的负部20。可以将包括狭缝15的绝缘体14放置在电极组件上，使得第四板24D的正部16的顶部可以与绝缘体14的底表面相接触，并且第四板24D的负部20的底部可以与绝缘体14的顶表面相接触。因此，可以将第四板24D的负部20与另一个电极组件12的第一板24A的自由正部16堆叠，这可以因此形成图1所示的铅酸电化学电池的螺旋构造。

可替代地，电极组件可以被形成为使得第四板24D的自由部是正部，并且，第一板24A的自由部是负部。此外，在螺旋构造中，顶部电极组件的第四板24D的自由部可以连接到单个部分的板，以便完成电路。在替代实施例中，顶部电极组件的顶部电极板24D可以仅为单个部分的板，因此完成连接到第三板24D的电路。

在一些实施例中，电极组件由固态板形成，其中，板的正负部包括通过固态沉积过程产生的薄膜活性材料。适合于形成活性材料的过程包括但不限于物理气相沉积、化学气相沉积、喷射沉积、浸渍涂布、旋转涂布、无电沉积、电镀和适当过程的任意组合，以形成薄膜涂层。膜材料的适当形式包括在高真空过程中、在惰性气体环境下和在室内大气和压力下形成的材料。

在一些实施例中，隔板材料是允许氢离子、氧离子和硫酸盐离子(例如H+、OH-、SO4-)以可比得上液体电解质扩散的速率进行离子扩散和迁移的薄膜膜材。在一些实施例中，隔板膜是聚合物膜，例如Nafion材料。

在一些实施例中，板的衬底材料是呈箔材或固体膜的形式的适当的薄膜导电介质。在一些实施例中，薄膜是从包括金属(例如，铅)、导电聚合物(例如，苯胺基聚合物)、导电陶瓷(例如，ebonex或导电锡或钛氧化物)的组中选择的织造材料。在各实施例中，衬底材料具有抛光面，该抛光面具有适当的附接层或被图案化的表面，以促进包括孔、脊部、凹痕互锁特征和应力减小特征的活性材料的附着。

在各实施例中，适当的电解质被充分固化或以凝胶或液体的形式存在，并且以化学计量数量随正极活性材料一起分散，或浸渍在隔板膜中或充当电解质存储器的电极组件的其它部分中。

可替代地，在一些实施例中，正负电极组件依赖于离子导电膜的分离原理而构成燃料电池。在一些实施例中，适当的燃料流体是气体，例如氢气或其它适当的燃料。

每个电极板的伪双极设计可以允许螺旋构造在铅酸电化学电池中以恒定容量建立至任意期望值(例如，24V、36V、42V、或48V)的电压，同时维持铅酸电化学电池的低重量。低重量可能由于电极组件的部件的尺寸以及构成每个电极板的材料。此外，电极相对于彼此以90°角度堆叠可以允许更薄的部件。例如，在一个实施例中，电极组件12可以包括约8英寸的直径并且可以是约0.3英寸厚。更具体地，电极的正部16可以是约0.082英寸厚；电极的负部20可以是约0.06英寸厚；隔板18可以是约0.06英寸厚；并且糊贴纸22可以是约0.004英寸厚。

本领域的普通技术人员应当理解，电极板的堆叠可以以各种方式中的任一种完成。例如，这些板能够堆叠成使得板成以阶梯方式一个构建在另一个上，且每个正部16和负部20及其伴随的连接部26位于相同的平面内，如图2所示的那样。可替代地，在堆叠板时，连接器26之间的角度可以使得它们通过板的厚度、糊贴纸的厚度和隔板的厚度来抵消，以促进板中的升高。作为进一步的替代，电极板能够形成为具有螺旋几何线型，以促进以螺旋图案堆叠板，减轻阶梯不连续性(step discontinuities)以及减小连接器26上的应力。

铅酸电化学电池可以进一步包括用于减轻由于电解液从电极和隔板泄漏到电极连接器上而引起的分路电流的装置，这种分路电流可能造成电极自放电。在一个实施例中，电极连接器26和靠近电极板的容器的内部可以用疏水涂层处理，这可以防止过多电解液润湿电极、或电极连接器26、或壳体。在其它替代实施例中，由于形成在每个电极板的正负部16、20的边缘上的屏障，可以阻挡电极连接器26漏泄电解液。屏障可以是涂层或其它材料，其包括可以框住每个正负部并且包含电解质的框架材料或甚至多余的活性材料。可替代地，在进一步的实施例中，绝缘体的直径可以大于电极组件和其中留有螺旋构造的容器两者的直径，使得绝缘体可以与容器壁一起形成屏障并且吸收漏泄的电解液。

图6描绘根据一个实施例的铅酸电化学模块60。模块60可以包括顶部34、底部38、和壳体36。顶部和底部34、38可以将铅酸电化学电池10封闭在壳体36内。壳体可以包括内开口40，该内开口40可以是与铅酸电化学电池10大致相同的直径和高度，使得铅酸电化学电池可以充分地布置在壳体36内并且和被顶部34和底部38覆盖。模块60可以进一步包括附接到铅酸电化学电池的正负端子(未在图5中示出)，使得模块可以被用来提供能量和功率。

如先前所公开的，螺旋构造可以连接电极组件12，以便在维持铅酸电化学电池的恒定容量的同时建立电压。在第二替代实施例中，电极组件12可以被堆叠，使得铅酸电化学电池的电压在建立电容的同时保持恒定。因此，在该第二实施例中，代替一个电极组件12的顶部电极板24D连接到另一个电极组件12的底部电极板24a的是，单个电极组件的顶部电极板和底电极板可以被连接以完成电路。每个电极组件12可以连接到极耳50，极耳50可以进一步连接到功率总线组件500以便用于电容的建立。

图14B示出功率总线组件500的一个实施例的部件。功率总线组件500可以包括功率总线502、端子506、连接器件504和螺母508。此外，如图14B所示，螺栓510可以连接到连接器件504，延伸过功率总线502，并且附接到螺母508。螺栓510当被连接到连接器部分502和螺母508时可以完成总线系统500的连接，这可以因此建立电容。

如图14B所示，连接器504可以包括形成在其中的第一贯通孔504a和第二贯通孔504b。第一贯通孔504a可以连接到螺栓510，并且第二贯通孔504b允许端子506a的顶部延伸过该第二贯通孔504b。此外，端子506可以包括底部506b，该底部506b可以座置在铅酸电化学电池1000的顶表面的顶上。端子506b的顶部可以是具有与第二开口504b大致相同的形状的截面的伸长构件。端子的底部可以是平坦的。可替代地，如图14A所示，端子506b的底部可以具有凹形内表面。

功率总线502可以包括伸长构件，该伸长构件具有与铅酸电化学电池的高度大致相同的长度。功率总线502可以进一步具有沿着其长度布置的狭缝，该狭缝被构造用以接纳来自电极板的接头，其中，这些接头通过压缩处于受压的功率总线502而固化。此外，如图14B所示，功率总线502的顶表面可以与连接器件504的底表面相接触，使得连接器件504可以将电流从功率总线502携带到端子506。因此，功率总线502可以由本领域的技术人员已知的允许携带电流和建立电容的任意材料制成。

一些实施例利用超声焊接的功率总线。图15A-15D示出根据一些实施例的包括焊接功率总线1510的电化学电池1500。电池1500进一步包括终止于多个极耳1524的多个电池组1522。在一些实施例中，电化学电池1500是电池或电池模块。

在一些实施例中，功率总线焊接到电池的端部极耳。在一些实施例中，焊接是超声焊接。图15A是电池1500的一端的装配视图，其示出焊接到极耳1524的一个功率总线1510。图15B是电池1500的一端的分解视图，其示出从极耳1524分离的一个功率总线1510，当装配时，这些极耳1524焊接在一起。在各实施例中，与其它类型的连结相比，功率总线超声焊接到极耳减少了氧化金属的产生。减少氧化物进而减轻功率总线对腐蚀的脆弱性。

在各实施例中，功率总线1510包括金属折叠片。在各实施例中，功率总线1510由铅片或铜片制成。在一些实施例中，功率总线将电流从端部电池“极耳”传递到电池端子。在一些实施例中，诸如图15A-15D的实施例的“带”式功率总线，该功率总线被设计成具有低质量、低电阻和高耐环境或硫酸腐蚀性。

图15C是根据一些实施例在通过焊接工具1550进行焊接过程期间电池1500的侧视图。在一些实施例中，功率总线1510开始作为平坦金属片。在焊接过程期间，金属片被折叠并且通过超声焊接工具1550被焊接到极耳1524，如图15C所示。

折叠中的一个(其截面被示出为拐角1510-f1)形成顶部1510-t并且与总线的其余部分分离开来。此外，当在一侧上的所有极耳被焊接到折叠的功率金属片时，功率总线的前面1510-f被形成。一旦完成前面1510-f的形成并且它嵌入所有极耳，则金属片的下尾部被向后折叠，以形成功率总线的后面1510-b。完整的功率总线包括前面1510-f和后面1510-b、和顶表面1510-t。图15D示出已装配的电池1500，该电池1500具有焊接到其两端上的极耳的两个功率总线1510。

在各实施例中，功率总线1510提供用于将电子从每个电池传导至蓄电池端子的均衡路径。如在图15A、图15B和图15D中看到的那样，例如，在一些实施例中，每个顶表面1510-t连接到端子1512。前表面1510-f和后表面1510-b提供从极耳1524到顶表面1501-t和端子1512的电子路径。在一些实施例中，功率总线1510被设计成沿着其表面具有非均匀的电阻率，以提供在每个极耳1524和对应的端子1512之间提供均衡或近似相等的总电阻。在一些实施例中，作为离顶表面的距离的函数，前表面或后表面的电阻率是不同的。在一些实施例中，例如，对于离顶表面1510-t越远的点，前表面1510-f的电阻率越小。在一些实施例中，后表面1510-b的电阻率高于前表面1510-f，该后表面1510-b为下侧的极耳提供与上侧路径相比较短的路径。在各实施例中，功率总线区域的电阻率通过移除表面的一些部分以产生孔或通过减小形成总线的箔材的厚度而增加。在各实施例中，作为功率总线箔材上的位置的函数的电阻率的期望值通过对极耳和端子之间的各种电子路径建模而确定。

在一些实施例中，用于模块的壳体的基部和盖子包括帮助增加壳体的上表面和下表面的刚度的嵌入件。图15E-15H示出根据一些实施例的具有这样的嵌入件的模块1550。特别地，图15E示出模块1550的已装配视图，并且图15F示出模块1550的分解图。此外，图15G和图15H分别示出模块1550的底部托盘1554和盖子组件1559的装配视图。

如在图15F中看到的，模块1550包括外基部1552、下嵌入件1553、裙部1556、上嵌入件1557、和外盖1558。下嵌入件1553被用作基部1552的嵌入件，并且上嵌入件1557被用作盖子1558的嵌入件。嵌入件1553和1557分别增加基部和帽件的刚度。在一些实施例中，嵌入件以小附加材料和重量增加壳体的刚度。在一些实施例中，附加的刚度帮助模块抵抗壳体的变形或隆起。在各实施例中，在没有附加刚度的情况下，这样的隆起会由于蓄电池的正常循环和电池内部的气压的所导致的增加而发生，其会使壳体变形并且造成隆起。隆起会导致电极叠层的压缩损失以及非均匀的压缩。

如在图15G中看到的，通过将下嵌入件1553装配在外基部1552中而形成底部托盘组件1554。类似地，图15H示出，通过装配上嵌入件1557和外盖1558而形成盖子组件1559。

图15G和15H还示出根据一些实施例的嵌入件的形成及其相对于其它部分的定位。在一些实施例中，嵌入件包括形成于其中以便适当定位的对准孔。在一些实施例中，粘合剂被施加到基部或盖子的肋，以使嵌入件紧贴它们而得到固定。在一些实施例中，嵌入件被粘合到基部或盖子的内表面中的突肋，从而形成双蒙皮组件(dual skinassembly)。该双蒙皮组件抵抗可能由叠层压缩和内部气压引起的弯曲负载。

在一些实施例中，嵌入件1553和1557由与壳体1556相同的材料制成。这样的材料允许在粘合这些部件时的高灵活度。在一些实施例中，嵌入件由聚丙烯片制成。

在一些实施例中，嵌入件被冲压，切割，模制，通过其它适当的成型技术而形成。可替代地，在一些实施例中，嵌入件由耐冲击聚苯乙烯(HIPS)；丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)；聚氯乙烯(PVC)，任意适当的复合物，或其它耐酸、高强度、并且容易成型的热塑性材料制成。在各实施例中，嵌入件提供屏蔽，避免电解质泄漏。

在各实施例中，嵌入件防止电极的压缩损失并且在电极叠层两端维持均匀的压缩水平。此外，嵌入件通过在电极叠层之间提供间隙而帮助防止短路，这些间隙防止可能造成短路的液体路径在相邻的电极叠层之间形成。

在一些实施例中，嵌入件包括形成在其中的孔隙。孔隙允许多余液体电解质从电极叠层泄漏到形成在基部中的底部沟槽。此外，孔隙为气体从电极叠层的逃逸提供路径。嵌入件还能够被形成以建立衬垫(pad)，以便将电极叠层定位在电池内。

在本公开的第三实施例中，电极板在形状上可以是矩形的。矩形板在面积上可以是与半圆形电极板类似的，并且可以用来形成类似尺寸的电极组件和模块。例如，图7示出根据本公开的第三实施例的铅酸电化学电池100。图7的实施例描绘的是将矩形电极板相互以90°角度堆叠，形成电极组件，以及将电极组件连接在螺旋构造中。如图7所示，矩形电极板可以被连接以形成电极组件，并且因此形成具有方形截面形状的螺旋构造。

类似于图1的电极组件12，图8的电极组件112可以包括四个矩形电极板124A-D。每个电极板124A-D可以包括由电极连接器126连接的正负部。此外，每个电极板可以包括糊贴纸和隔板118。此外，如图8所示，每个电极组件112可以由绝缘体114隔开，该绝缘体114可以包括与电极组件112的截面形状相同的截面形状，而且进一步可以包括径向狭缝(未示出)。

图9描绘根据本公开的第三实施例的铅酸电化学电池模块200。模块200可以包括壳体140、开槽托盘142、和承滴盘146。开槽托盘142可以包括多个槽144，该多个槽144可以允许多余电解液流经开槽托盘142并且流动到承滴盘144上的收集部中。承滴盘146可以包括外边缘145，该外边缘145可以被紧固到壳体140的内边缘，使得壳体140和承滴盘146可以封闭座置于开槽托盘142顶上的铅酸电化学电池100。壳体140和承滴盘146可以经本领域的技术人员已知的任意装置来被固定。例如，在一个实施例中，壳体140和承滴盘146可以经塑性超声焊接而被在保持一起。

铅酸电化学电池100可以进一步包括连接到螺旋构造的正端部的极耳50和连接到负端部的极耳50。极耳50可以经本领域的技术人员已知的任意装置牢固地连接到正负端。例如，极耳50可以经焊接或超声焊接而连接。极耳50可以每个包含贯通孔52，该贯通孔52可以为支柱148留出通道。此外，壳体140中的每一个中的开口141、143、147、开槽托盘142、和承滴盘146分别也可以允许支柱148经过它们。

如图10所示，支柱148可以从壳体140中相应的开口141延伸出来，使得它们可以充当铅酸电化学电池模块的正负端子。支柱148可以进一步包括端部150，该端部150在其中有开口。端部150中的开口可以允许各个铅酸电化学电池模块200相互堆叠(图10)。

第四实施例可以采用第三实施例的方形电极组件112的几何结构来在恒定电压下建立电容，而不是如在第三实施例中的那样建立电压。类似于相对于第二实施例所公开的内容，该第四实施例可以包括将顶部电极板124D的自由部与第一板124A的自由部连接，以便完成电路并且因此形成12V电极组件112。然后，可以将电极组件112堆叠并且连接到功率总线组件500，以便在维持铅酸电化学电池的常量12V的同时建立电容。铅酸电化学电池的第四实施例可以进一步包括可以与第三实施例的模块类似的模块。

电极板可以进一步被用来形成电极组件，并且因此铅酸电化学电池构造具有除了圆形和方形以外的各种截面形状。该各种截面形状可以允许在几乎没有或没有位置(例如，车辆框架)设计的修改情况下将铅酸电化学电池的堆叠或螺旋的构造放置在各种位置(例如，在车辆中)，以容纳铅酸电化学电池系统。在这些进一步的实施例中，例如，每个电极组件可以包括多于四个板。此外，这些电极组件的形成可以包括将电极板相互线性地以及以90°的角度相互堆叠。例如，在一个实施例中，矩形板可以被用来形成具有矩形截面的螺旋构造。因此，与沿着宽度相比，沿着每个电极组件的长度可能存在更多电极板。

在一个实施例中，电极板可以被取向成使得最终的电化学电池可以在三个正交方向上提供容积效率。举例来说，电化学电池的取向可以在x方向、y方向、和/或z方向上提供改进的尺寸，其中xyz轴线不以任意特定方式相对于电化学电池壳体取向。可替代地，电化学电池的取向可以在x、y方向、和/或z方向上提供改进的尺寸，其中xyz轴线相对于电化学电池壳体取向。如上文和下文所描述的，电化学电池可以通过离子连接和公共电流收集器以在正交方向x、y、z中的一个方向上建立电压或电容的方式被联合起来。

本公开的第五实施例可以包括将电极板形成为电极组件，其中电极组件可以包括L形截面。每个电极组件可以包括电极板，该电极板具有由电极连接器连接的正负部。此外，每个电极板可以包括糊贴纸和隔板。此外，每个电极组件可以由具有至少一个狭缝的L形绝缘体隔开，以实现L形电极组件的螺旋连接。此外，每个电极板可以进一步包括用于减小分路电流的装置(例如，电极连接器上的疏水涂层、板的疏水框架、或用于吸收电解液的超大尺寸绝缘体)。

L形铅酸电化学电池可以进一步包括L形模块。类似于圆形和方形模块，L形模块可以包括壳体、开槽托盘、和用于收集漏泄电解液的承滴盘。可能进一步存在连接到L形螺旋构造的正负端的极耳，使得这些极耳可以连接到形成L形铅酸电化学电池的端子的轴。

L形电极组件的第六替代实施例可以进一步包括电容建立几何结构，类似于本文公开的另一电容建立实施例。第六实施例中的L形电极组件可以各自并联连接，且每个组件终止于极耳中，且相应的极耳中的每一个极耳连接到功率总线组件500。电容建立L形电化学电池可以被容纳在类似于用于螺旋构造的L形模块的模块内。

本公开的第七实施例可以是具有U形截面形状的电极组件。第七实施例可以在恒定电容下建立电压，如本文所公开的那样。可替代地，第八实施例可以包括被布置成建立电容的U形电极组件。图17示出根据本公开的第八实施例的铅酸电化学电池2000。铅酸电化学电池2000可以包括堆叠的多个电极组件2012，使得在可以建立电容的同时电压可以保持恒定。每个电极组件2012包括U形构造，使得铅酸电化学电池2000可以配合在可以包括中间隔板2104的模块内。铅酸电化学电池2000可以进一步包括在每个端部上的功率总线500，用以建立电容。

作为进一步替代，电化学电池可以以伸长矩形形状被构造。图11示出根据本公开的第九实施例的铅酸电化学电池的电极板1024。类似于图4A和图8中的电极板24、124，电极板1024可以包括第一正部1028和第二负部1030，且电极连接器1026在该第一正部1028和第二负部1030之间。在各实施例中，每个电极板部1028或1030在电子流的方向上具有宽度1028-W并且在垂直于该电子流方向的方向上具有长度1028-L。在各实施例中，每个电极板具有大于1的纵横比，也就是说，其长度与其宽度的比率(1028-L的长度相对1029-W的长度)大于1。在一些实施例中，长度与宽度的比率为约1.5。在一些其它实施例中，该比率为约2.0。这样的纵横比增加电池单元的效率，因为对于电极板的相同的总表面，电子需要行进较短的路径。

在第九实施例中，如图12所示，电极组件可以以电容建立的构造并联地布置。如图12所示，电极组件可以通过排列期望数量的电极板1024而形成，这些电极板1024可以形成电极组件的底部。电极组件的顶部可以通过将顶部电极板的正部1028与底部电极板的负部1030对准等等而形成。隔板可以位于这些堆叠的正负部中的每一个之间。此外，电极组件的形成可能导致底部电极板1024的自由正部1028在一端处，并且底部电极板1024的自由负部1030在相对端处。各个负部和正部分别可以被放置在这些自由端上，以便完成电路。电极组件可以被形成为具有任意期望的电压。例如，图12的电极组件1010可以是12伏组件。

图13示出铅酸电化学电池1000，该铅酸电化学电池1000可以包括图12的堆叠电极组件1024。铅酸电化学电池1000可以包括极耳50。类似于图7的铅酸电化学电池100中的极耳50，每个极耳可以包括贯通孔52并且可以经焊接或超声焊接连接到每个电极组件的正端部和负端部。然而，图13示出极耳50可以连接到两个电极组件，与仅一个相对照。

图14A进一步示出铅酸电化学电池1000的每个端部可以连接到功率总线组件500，该功率总线组件500可以允许各个电极组件1024并联连接，以便建立铅酸电化学电池1000的电容。

图16示出包括图14A的铅酸电化学电池1000的铅酸电化学电池模块1200。类似于图9的铅酸电化学电池模块200，铅酸电化学电池模块1200可以包括壳体1202、带多个狭槽1205的开槽托盘1204和用于收集通过开槽托盘的狭槽1205渗出的电解液的承滴盘1206。壳体1202、开槽托盘1204、和承滴盘1206可以包括略大于铅酸电化学电池1000的尺寸的长度、宽度、和高度，使得壳体1202和承滴盘1206可以完全封闭铅酸电化学电池1000。此外，类似于图10的模块200，壳体1202和承滴盘1206可以经本领域的技术人员已知的任意过程被保持在一起，所述任意过程包括但不限于塑性超声焊接。

各实施例使用电极板的新型形状并且相应地增加电池的充电容量或效率。图19A示出根据本公开的一些实施例的圆形板模块1900。圆形板模块1900包括：在顶部和底部处的两个帽件1910；在该两个帽件之间的多个圆形板1920；和多个螺母和螺栓组件1930(标记为两个端螺母和螺栓组件1930a和四个侧螺母和螺栓组件1930b)。顶部和底部帽件1910由在多个圆形板1920的两侧上的该多个螺母和螺栓组件1930紧固，并且将那些板保持一起。而且，顶部和底部帽件1910每个包括端子1912(在图19A中仅可以见到顶部帽件的)，模块通过该端子1912连接到电池的端子或另一个模块。

图19B示出根据一些实施例的圆形板模块1900及其各部分的分解视图。具体地，在图19B中，模块1900包括一电极层正端子1920P、一电极层负端子1920N、五层电极1920E、六个螺栓1930B、六个螺母1930N(其中的四个是可见的)、和四个套管1932(其中的三个是可见的)。

在图19A和图19B的实施例中，图19B中所示的拆卸部分合并到图19A的装配模块1900中。具体地，当将图19B中所示的部分装配到图19A的装配模块1900中时，螺栓1930B穿过电极层正端子1920P中指定的孔(层电极1920E或套管1932中指定的孔)，以及电极层负端子1920N中指定的孔，然后接合螺母1930N。更具体地，标有箭头的两个螺栓对应于图19A中的端螺母和螺栓组件1930a，并且穿过层电极1920E中的孔。其它四个螺栓对应于图19A中的侧螺母和螺栓组件1930b并且穿过套管1932。

与先前的情况相比较，当对于每个层将图19B所示的装配模块、层电极1920E和电极层负或正端子定位在相互之上半圈时，使得一个板的正半层定位在下一个板的负半层的右下方，或反之亦然。

各实施例使用层电极和电极层负或正端子的不同组合来为模块产生各种电池功率。例如，在一些实施例(诸如，图19B所示的实施例)中，模块1900包括放置在一个层正端子1920P和一个层负端子1920N之间的五层电极1920E。在一些实施例中，电极的这样的组合提供12伏电池模块。

图19C示出根据一些实施例的层电极1920E的详细结构。在图19C中，层电极1920E包括负半层1924、正半层1926、线衬底1920W、两个薄隔板半层1927t-1和1927t-2、厚隔板半层1927T、圆形框架1920F、框架O型环1921、和绝缘体半层1925。

根据一些实施例，这些部分以图19C中所示的顺序和取向被装配起来，以产生图19B所示的一个层电极1920E。具体地，线衬底1920W捆扎(strung)在圆形框架1920F上，以产生丝网。然后，将该网嵌入被包括在负正半层1924和1926中的活性材料中，以形成活性材料层。O型环1921被包括用于密封两个后续的电极层之间的间隙。然后，在负半层1924下面依次由薄隔板半层1927t-1、绝缘体半层1925、和薄隔板半层1927t-2覆盖。另一方面，在正半层1926下面由厚隔板半层1927T覆盖。

在各实施例中，层电极1920E被装配成使得邻接的层电极的负正半层相接触。具体地，当将第二层电极1920E定位在第一层电极上以形成模块1900时，诸如在图19B中所看到的那样，第二个相对于第一个绕其中心轴线旋转180度。以这种方式，将第二层电极的负半层定位在第一层电极的正半层之上，并且将第二层电极的正半层定位在第一层电极的负半层之上，且在每种情况下，一些隔板或绝缘体在它们之间。例如，在一种设置中，图19C所示的分解图代表夹在处在顶部的第二层电极和处在底部的第三层电极之间的第一层电极。未示出的第二层电极和第三层电极将彼此类似被取向，但是相对于第一层电极旋转180度。在该示例性设置中，第一层的负半层1924夹在第二层电极的正半层和第三层电极的正半层之间，且在该负半层1924之上的正半层之前形成厚隔板半层，并且在该负半层1924之下的正半层之前分别形成薄隔板1927t-1、绝缘体1925和薄隔板1927t-2。以类似的方式，第一层电极的正半层1926夹在第二层电极的负半层和第三层电极的负半层之间，且在该正半层1926之上的负半层之前形成薄隔板半层、绝缘体半层和另一个薄隔板半层，并且在该正半层1926之下的负半层之前形成厚隔板1927T。

在各实施例中，绝缘体半层是绝缘层，该绝缘层防止在其两侧上的有源半层进行交换电荷。在上述示例性设置中，比如，第二层电极的绝缘体半层阻止第一层电极的正半层1926与位于该第一层电极之上的第二层电极的负半层进行交换电荷。类似地，绝缘体半层1925阻止负半层1924与位于该绝缘体半层1925之下的第三层电极的正半层进行交换电荷。

在各实施例中，隔板半层是与一个或二个有源半层相接触的离子导电层。在一些实施例中，隔板半层保存它所接触的有源半层中的一些电解质。此外，在各实施例中，隔板半层在其两侧上与两个有源半层相接触，使得那些半层之间的离子电荷交换成为可能，因此形成单元电池。在上述示例性设置中，比如，薄隔板半层1927t-1与其上的负活性材料1924相接触并且保存离子并且与该负半层进行交换离子。类似地，薄隔板半层1927t-2与位于其下方的正活性材料相接触。另一方面，厚隔板半层1927T使得第一层电极的正半层1926和下方的第三层电极的负半层之间的离子电荷交换成为可能。类似地，第二层电极的厚隔板半层使得第二层电极的负半层1924和正半层电极之间的离子电荷交换成为可能。正半层、隔板半层、和负半层的该组合在模块1900内部产生单元电池。因此，在图19C中，例如，负半层1924与其上方的正半层一起形成单元电池，但是与其下方的正半层绝缘。类似地，正半层1926与其下方的负半层一起形成第二单元电池，但是与其上方的负半层绝缘。模块的这些单元电池经由线衬底1920W相互连接。

在各实施例中，线衬底是由单方向导线形成的网，其使得在它所连接的两个有源半层之间的导电电子交换成为可能。因此，线衬底将在相同的层电极内的一个单元电池的正半层连接到另一个单元电池的负半层。在各实施例中，线衬底具有提高电池效率的组成和设计。在一些实施例(诸如，图19C所示的实施例)中，配线是从一个电极延伸到另一电极的定向线形成的网。此外，在各实施例中，线衬底由不具有长程有序的非晶无定形材料制成。这样的材料提供较佳的抗腐蚀性并且因此更加适合用于与电解质接触。

在上文描述的示例性设置中，比如，在图19C所示的第一层电极中，线衬底1920W将属于第一单元电池的负半层1024连接到属于第二单元电池的正半层1926。

在各实施例中，圆形板模块1900包括串联连接的一组单元电池。在一些实施例中，对于每个单元电池，中间以上文详述的方式形成在两个邻接的层电极之间。此外，两个端部单元电池形成在层电极和邻接的电极层正端子或电极层负端子之间。例如，在图19B所示的实施例中，第一层电极端子1920E-1包括负半层1924-1，该负半层1924-1与电极层正端子1920P中的正半层1926-P一起形成单元电池。另一方面，第五层电极1920E-5包括正半层1926-5，该正半层1926-5与电极层负端子1920N中的负半层1924-N一起形成单元电池。

图19D和图19E更详细地示出根据一些实施例的电极层正端子和电极层负端子的结构。图19D示出，在从顶部开始的连续层中，电极层正端子1920P包括帽件1910；薄隔板半层1027t-1连同铅片半层1954；正半层1926；线衬底1920W；厚隔板半层1927T连同垫片半层1952；和绝缘体1925和薄隔板半层1027t-2。电极层正端子1920P还包括圆形框架1920F、框架O型环1921、端子1956和端子O型环1957。

图19E示出，在从底部开始的各层中，电极层负端子1920N包括帽件1910；PVC半层1958连同开孔的垫片半层1952h；另一个PVC半层1958连同开孔的PVC半层1958h；绝缘体1925连同另一个开孔的PVC半层1958h；薄隔板半层1927t连同铅片半层1954；线衬底1920W；和负半层1924连同垫片半层1952。电极层负端子1920N还包括圆形框架1920F，框架O型环1921、长端子1956L和端子O型环1957。

在一些实施例中，PVC被用来制造圆形框架1920F、绝缘体半层1925、帽件1910、和PVC半层1958和1958h。而且，铅被用来制造线衬底1020W、端子1956和1956L。此外，在制造O型环1921和1957、以及垫片半层1952和1952h中使用了70A硬度的EPDM橡胶。

部分1924和1926分别为负和正的活性材料。薄和厚的隔板1927t和1927T由不同厚度的玻璃纤维垫制成。具体地，在图19C-19E所示的实施例中，厚隔板半层1927T比薄隔板半层1927t厚。而且，正活性材料1926比负活性材料1924厚。在这些实施例中，薄隔板半层1927t被包括在还包括负半层1924的一侧上，以补偿与正半层1926相比较小厚度的负半层1924。而且，如所解释的那样，隔板半层1927保存它们所接触的活性层的电解质。

在各实施例中，层电极被装配到圆形板模块中,使得在板之间提供连续电荷路径。图19F示出根据一些实施例的在圆形模块1900中的层电极构成的组件的电荷路径，所述组件包括层电极1920E-1至1920E-4。在图19F中，竖直箭头和水平箭头指示电荷迁移的方向。具体地，水平箭头1942指示在组件中从一个单元电池通过线衬底到下一个单元电池的导电电子迁移的方向。另一方面，竖直箭头1944指示单元电池内的离子电荷迁移。离子电荷通过隔板从层电极1920E-2的左手侧(正)半层迁移到层电极1920E-3的左手侧(负)半层。在一些实施例中，由单元电池产生的电压为约2伏。在图19B所示的实施例中，例如，模块1900装配六个单元电池，并且由模块1900产生的总电压为约12伏。

在各实施例中，通过以某种特定的顺序装配其各部分而制造用于正负端子的层电极1920E或层。在图19C所示的实施例中，例如，当制造层电极1920E时，能够将线衬底1920W捆扎到在圆形框架1920F的上面上蚀刻出来的凹槽中，以产生线框架组件。然后，能够用负活性材料覆盖在该线框架组件的一侧上，以形成负半层1924，并且用正活性材料覆盖在另一侧上，以形成正半层1926。然后，能够将绝缘体和隔板半层1925和1927附接在负和正半层的适当的面上。

不同的实施例使用不同的结构用于线框架组件或用于将线框架组件与层电极的剩余部分合并。图21示出根据两个不同的实施例的两个圆形框架2120F-1和2120F-2。圆形框架2120F-1具有在其周界的一段上蚀刻出来的线凹槽2152，使得捆扎到凹槽中的线衬底不脱离框架的周界并且不接触线框架组件的周界。另一方面，圆形框架2120F-2具有沿着其周界的长度蚀刻出来的线凹槽2154，使得捆扎到凹槽中的线衬底形成线框架组件的周界的组成部分。在使用圆形框架2120F-2的一些实施例中，框架O型环1921被用来密封线框架组件的周界并且防止电解质漏泄。

图22示出根据一些其它实施例的圆形框架2220F的结构。圆形框架2220F包括周界段2220Fp、中心直径段2220Fd和O型环密封部2258。周界段2220Fp具有形成在其上的、呈垂直通道2254的形式的凹槽，用于线衬底。另一方面，直径段2220Fd具有形成在其上的、呈水平通道2256的形式凹槽，用于线衬底。

O型环密封部2258提供密封机构以防止诸如酸、或由电池产生的气体的副产品的泄漏。而且，在一些实施例中，通过沿着直径段2220Fd切割出诸如灌封化合物区域2257的通道，也防止在中心处这样的泄漏。在将铅线衬底捆扎在圆形框架2220F上之后，将环氧树脂浇注到区域2257以密封在线中。在一些实施例中，环氧树脂能够为蜡或其它适当的疏水材料。环氧树脂被用来防止或减小半层之间的电池泄漏。

各实施例改变模块盖的形状或几何结构，以改进电池的特性。图23示出根据一个实施例的圆形模块帽件2300。模块帽件2300包括六个段2302和端子位置2304。每个段2302包括中间段，该中间段具有减小的厚度并且由较厚的边缘包围。因为在中间段2302中减小的厚度，模块的帽件2300比具有均匀厚度的帽件轻并且类似于模块帽件2300。例如，在一些实施例中，用于顶盖或底盖的每个圆形模块帽件2300在外径上测量为8英寸，在内径上测量为7英寸，并且在厚度上测量为1/4英寸。在各实施例中，顶盖和底盖使用PVC注塑模制。在这些实施例中，模块帽件2300重约140克，但是相似尺寸的、具有均匀厚度的帽件重约270克。较轻的盖减小电池的重量，并且因此增加其比能或比功率。

图20示出根据一些实施例的电池模块的电极组件400。组件400包括半圆形全电极板402、四分之一圆形正负端板404和406、隔离层408、隔板410、正端子412和负端子414。每个全电极板402包括正半板402P和负半板402N。全电极板402被装配成使得，当一个全板定位在另一个全板之上时，它绕电极组件400的轴线旋转90°，使得一个板的正半板402P定位成抵靠另一个板的负半板402N。而且，隔板410插入在这两个相反电荷的半板之间，以在它们之间提供离子连接。一个板的负半板离子连接到位于该第一板之上或之下的另一个板的正半板的这一组合产生单元电池。而且，在相同的全板402中，正半板402P和负半板402N之间的线连接在两个连续单元电池之间提供串联连接。正端板404与抵靠其(在图20中，在其下方)定位的负半板402N一起形成单元电池。类似地，负端板406与抵靠其(在图20中，在其上方)定位的正半板402P一起形成另一个单元电池。

图24示出根据一些实施例的作为圆形板的直径的函数的圆形板模块的计算容量的特性。图24描绘图形2400，其中横坐标2410列出以英寸表示的电极直径，并且纵坐标2420列出以安培时(ah)表示的对应的计算容量。曲线2430示出作为直径的函数的电容的计算值。具体地，曲线2430示出，增加板的直径使得计算容量以非线性方式增加。而且，在一个实施例中，曲线2430示出，电极直径被设置为7英寸，并且模块的容量为约6.5ah。

在一些实施例中，电池模块由具有非圆形形状的板制成。图25示出根据一些实施例的形成为矩形盒(矩形棱柱)的蓄电池2500。电池2500包括一个或多个矩形板2510。在一些实施例中，矩形板2510包括矩形有源模块2520和矩形嵌套模块2530。

矩形有源模块2520配合在矩形嵌套模块2530内部。矩形有源模块2520包括容纳矩形负半层2524和矩形正半层2526的长方形框架2520F。另一方面，矩形嵌套模块2530包含矩形隔离区2525和矩形隔板2527。

在各实施例中，两个不同的框架因此以类似于图25所示的方式包括一层电池模块。第一框架包含两个有源半层，该两个有源半层包括两种不同类型的活性材料。第二框架具有与第一框架相同的形状并且包括隔板或隔离区或两者。在各实施例中，这些两种类型的框架被独立地制造，并且然后被放在一起，以创建一层电池模块。然后，装配多层，以创建电池模块。在一些实施例中，当装配这些层时，每个层相对于其下方或上方的层旋转，使得相邻层的负正半层面对彼此。

在一些实施例中，装配多个矩形层，以形成具有期望的输出电压的矩形模块。图26A和图26B示出根据一些实施例的以装配和拆卸形式的12伏矩形模块2600。如图26B所示，矩形模块2600包括顶层2610、五个电流重复框架2630、和底层2650。顶层2610包括顶盖2610C和上半电极框架2620。底层2650包括底盖2650C和下半电极框架2640。在图26A和图26B所示的实施例中，上半电极框架2620包括负半层，并且下半电极框架2640包括正半层，类似于上文所讨论的正负半层。在各实施例中，模块2600能够被不同地取向和使用，使得例如负正半层分别定位在底部和顶部处，或处在任意其它取向上。

图26C和图26D分别示出根据一些实施例的模块2600的中心重复框架2630的装配和拆卸视图。如图26C和图26D所示，电流重复框架2630包括垫片，负酸存储部半矩形、正负活性材料半矩形、线衬底、灌封化合物、内侧框架、隔板半矩形、正酸存储部半矩形、和包括隔离区半矩形的外侧框架。这些部分大体以与上文所讨论的层电极的那些部分类似的方式工作。具体地，在一些实施例中，负正酸的存储部半矩形由薄隔板材料制成。在图26D所示的实施例中，负正酸存储部分别从上方或下方覆盖负正活性材料半矩形，并且每个酸存储部用作针对对应的活性材料半矩形的酸的存储部。在一些实施例中，垫片由EPDM橡胶制成，其它实施例包括氟化橡胶或类似的弹性体，并且充当中心重复框架和该中心重复框架之上的框架之间的垫片。内侧框架由适当的耐酸塑料制成并且用作针对活性材料、线衬底、酸存储部和其它部分的总体框架。灌封化合物是可固化的环氧化合物并且用作正负活性材料之间的酸迁移的屏障。

图26E和图26F分别示出根据一些实施例的模块2600的顶层2610的装配和分解视图。顶层2610包括顶盖2610C和上半电极框架2620。图26F还示出根据一些实施例包括垫片、负端子、电流收集器、负酸存储部半矩形、灌封化合物、线衬底、负活性材料半矩形、隔板半矩形、间隔部半矩形、和包括隔板半矩形的外侧框架的上半电极框架2620的不同部分。电流收集器由铅金属片制成并且收集来自活性材料的电流并且将该电流输送至负端子。间隔部半矩形由EPDM橡胶或类似的耐酸的弹性体制成并且补偿衬底和隔离区部件之间的厚度差。

图26G和图26H分别示出根据一些实施例的模块2600的底层2650的装配和分解视图。底层2650包括底盖2650C和下半电极框架2640。图26H还根据一些实施例示出下半电极框架2640的不同部分，包括垫片、正活性材料半矩形、间隔部、线衬底、灌封化合物、内框架、正极板用酸存储部、包括隔离区半矩形的外框架、电流收集器、正端子、和第二垫片。

各实施例合并更大数量的矩形框架，以创建具有更大输出的矩形模块。图27A和图27B示出根据一个实施例的192伏矩形模块2700。矩形模块2700包括盖子2710、正总线2722和负总线2724、两个电极叠层2730、中心总线2740、和壳体2750。在该实施例中，中心总线连接串联电连接在一起的叠层2730的下端子。

一些实施例使用单元电池的螺旋构造。在一些实施例中，螺旋构造提供通过电极叠层的多螺旋电流路径。图28A-D示出根据一些实施例的圆形螺旋模块2800。圆形螺旋模块2800包括以螺旋方式装配的多个局部模块2810，如下文更详细地描述的那样。

图28B和图28C示出根据一些实施例的局部模块2810的细节。局部模块2810成形为圆扇段。在图28A-D所示的实施例中，局部模块2810形成为60度角的扇段，该60度角的扇段包括具有正负活性材料的两个30度的半扇段。

图28B和图28C示出局部模块2810的各部分。局部模块2810包括框架2812、正负活性材料半段2814和2815、线衬底2816、隔离区半段2817、和隔板半段2818。负正活性材料、隔离区、和隔板以类似于上文在圆形板模块1900或其它类似的模块中解释的方式工作。

图28A和图28D示出根据一些实施例堆叠多个局部模块2810以形成圆形螺旋模块2800。具体地，如图28D所示，圆形螺旋模块2800包括五个局部模块2810-1至2810-5。以螺旋方式堆叠局部模块使得局部模块的负半扇段位于该局部模块之上的局部模块的正半扇段的下面并且离子连接到该正半扇段。例如，局部模块2810-1的负半扇段位于在局部模块2810-2的正半扇段的下面并且经隔板离子连接到该正半扇段。同样地，局部模块2810-2的负半扇段位于在局部模块2810-3的正半扇段下面并且经隔板离子连接到该正半扇段等。

以这种方式，一组局部模块2810形成串联连接的一组单元电池。具体地，每个单元电池包括局部模块2810-i的负半扇段、该负半扇段之上的局部模块2810-i+1的正半扇段、和这两个半扇段之间的隔板。因此形成的每个单元电池通过跨电极(trans-electrode)衬底2816与在该单元电池之前或之后的电池串联连接。例如，一个单元电池形成在局部模块2810-1的负半扇段和位于其上的局部模块2810-2的正半扇段之间。该单元电池分别通过局部模块2810-1和2810-2中的跨电极衬底2816串联连接到在该单元电池之前和之后的单元电池。

在图28D中，箭头示出在这些串联连接的单元电池内部及它们之间迁移的电子的方向。具体地，每个水平箭头示出电荷从一个单元电池到下一个单元电池(也就是，从每个局部模块2810-i的正半扇段通过该局部模块的跨电极衬底到相同的局部模块的负半扇段)的导电传递。另一方面，每个竖直箭头示出在每个单元电池内电流的离子迁移，也就是说，从局部模块2810-i的负半扇段通过插入在负半扇段与定位在该负半扇段之上的下一个局部模块2810-i+1的正半扇段之间的隔板到该正半扇段的离子迁移。因此，局部模块2810-1至2810-5在开始和结束时形成串联连接的一组四个单元电池和两个半扇段。一些实施例包括阻止内部短路或电解质损失的垫片。在一些实施例中，垫片以类似于上文解释的方式阻止圆形板模块1900或其它类似的模块中的电解质损失。在图28C中，例如，内部短路通过电流隔离区2817减轻。

在一些实施例中，电化学电池模块是柱形螺旋卷绕模块。柱形螺旋卷绕模块利用替代的外形要素和替代的制造方法。在一些实施例中，模块通过绕中心心轴卷绕单双极构造的长条电极而构建，以创建用于模块的柱形电池。相邻的电池通过线基底以电串联方式彼此连接。电池被容纳在柱形耐压密闭壳体中。因此构建的柱形螺旋卷绕模块与它们的对照物相比较具有较少的部分、较高的容积效率、和较大的振动和压力抵抗力。

图29A-29C示出根据各实施例的螺旋卷绕模块2900。具体地，图29A示出外部视图，图29B示出内部装配部分的视图，并且图29C示出根据各实施例的螺旋卷绕模块2900的部分的分解图。

螺旋卷绕模块2900包括模块壳体2902、壳体通风口2904、顶盖2906、正端子2908、负端子2910、正电流收集器2912、正半电极衬底终止条2914、柱形电池组2916、负半电极衬底终止条2918、负电流收集器2920、中心心轴2922、和底盖2924。在图29A-29C所示的实施例中，柱形电池组2916包括经配线内部地串联连接的六个柱形电池叠层2917。在一些实施例中，每个电池组2916提供2伏电位差，并且因此模块2900是12伏模块。

在各实施例中，正半电极衬底终止条2914沿着外边缘电连结公共总线中的正半电极端部配线并且允许配线与正电流收集器2912的容易电连结。在各实施例中，正电流收集器2912是将正半电极终止条电连结到正端子2908的圆形金属板。在一些实施例中，正电流收集器2912是到正端子的低电阻直线路径。在各实施例中，正端子2908允许外部电连接到模块。

类似地，在各实施例中，负半电极衬底终止条2918沿着外边缘电连结公共总线中的负半电极端部配线并且允许配线与负电流收集器2920的容易电连结。在各实施例中，负电流收集器2920是将负半电极终止条电连结到负端子2910的圆形金属板。在一些实施例中，负电流收集器2920是到负端子的低电阻直线路径。在各实施例中，负端子2910允许外部电连接到模块。

图29D和29E描绘根据一些实施例的制造类似于柱形电池组2916的柱形电池组的中间阶段。图29D和图29E各自示出在被卷成柱形电池组中时的平坦电池组2966的两个不同的视图。平坦电池组2966包括六个平坦电池叠层2970和中心心轴2972。在图29D和图29E所示的阶段处，每个电池叠层2970是平坦伸长条。在图29D和图29E所示的实施例中，每个电池叠层2970包括四层，如相对于图30A更详细地描述的那样。具体地，每个电池叠层2970包括电极和隔板的交替层。交替层的端部在图29D和图29E中交错，用于图示目的。电池叠层的一些相邻层经配线连接，如下文详细描述的那样。

图29D和图29E描绘绕中心心轴2972卷起平坦电池叠层2970以构建柱形电池组的开始阶段。图29D和图29E还示出在其平坦构造下并且同时绕中心心轴2972被卷起的正负半电极终止条2974和2976。在完成卷起之后，这些条将具有图29C中的部分2914和2918的螺旋形状。

在一些实施例中，中心心轴2972是由耐硫酸塑料制成的柱形管。在一些实施例中，中心心轴的材料类似于模块壳体的材料。在各实施例中，电极绕中心心轴被卷绕。在各实施例中，中心心轴2972因此支撑电极组件。图30A是示出在卷绕之前在心轴上的全和半电极布置的2D简图。

图30A示出在执行绕中心心轴卷绕电池叠层的一次卷绕之后的螺旋卷绕模块的截面。一系列图像3001-3005用来示出根据一些实施例的电池组3000的细节。具体地，全电池图像3005示出在一次全卷绕之后的电池组3000的截面，该电池组3000包括因绕中心心轴3020卷绕平坦电池组(诸如，图29D和29E中的电池组2966)而产生的层。在被卷绕一次之后，电池组3000包括六个电池叠层3010。图30A中的每个矩形代表绕中心心轴3020卷起的一层电池叠层的截面。

图像3001示出中心心轴3020。图像3002示出在执行绕中心心轴卷绕电池叠层的一次卷绕之后绕中心心轴3020形成的一层隔板层3030。隔板层3030包括六个隔板半部分3032。每个隔板半部分3032对应于六个电池叠层3010中的一个。在一些实施例中，隔板层3030由吸收性玻璃纤维垫(AGM)制成。在各实施例中，隔板层保持诸如硫酸的电解质并且促进电池的正负电极之间的离子迁移。

图像3003示出在执行绕中心心轴卷绕电池叠层的一次卷绕之后绕隔板层3030形成的电极层3040。电极层3040包括以交替顺序铺设在六个隔板半部分3032上的三个负半电极3042和三个正半电极3044。具体地(假设在图30A的阶段3003中，电极层3040中的六个半电极从左到右被编号)，第一、第三、和第五半电极是正半电极3044；并且第二、第四、和第六半电极是负半电极3042。

三对连续相邻的负正半电极经三根配线连接。也就是，如图像3003所示，分别由第一和第二半电极、第三和第四半电极、和第五和第六半电极构成的三对均经配线3046(其中，在图30A中，所有的配线被示出，并且仅第一配线已经被标记出来)连接。每个这样的连接对形成双极电极3048(其中，图30A中，仅第一个已经被标记出来)。电极层3040因此包括三个双极电极3048。

图像3004示出在执行绕中心心轴卷绕电池叠层的一次卷绕之后绕电极层3040形成的第二隔板层3050。隔板层3050包括六个隔板半部分3052。每个隔板半部分3052对应于六个电池叠层3010中的一个。

图像3005示出在执行绕中心心轴卷绕电池叠层的一次卷绕之后绕隔板层3050形成的第二电极层3060。电极层3060包括以作为电极层3040中的顺序的颠倒的交替顺序铺设在六个隔板半部分3052上的三个负半电极3062和三个正半电极3064。也就是，每个负半电极3062铺设在隔板半部分3052上，该隔板半部分3052本身铺设在正半电极3044上。相反地，每个正半电极3064铺设在隔板半部分3052上，该隔板半部分3052本身铺设在负半层3042上。因此，如图30A的图像3005所示(假设电极层3060的六个半电极从左到右被编号)，第一、第三、和第五半电极是负半电极3062；并且第二、第四、和第六半电极是正半电极3064。

图像3005示出经两根配线3066形成的两个双极电极。具体地，第一双极电极通过经配线3066(其在图30A的阶段3005中被示出并且被标记出来)连接第二和第三半电极而形成。此外，第二双极电极通过经配线3066(其在图30A的阶段3005中被示出但未被标记出来)连接第四和第五半电极而形成。作为负半电极3062的第一半电极从左边经端子配线3068连接到外部。此外，作为正半电极3064的第六半电极从右边经另一端子配线3068连接到外部。因此，电极层3060从左边起包括负半电极3062、两个双极电极、和正半电极3064。

如图30A的阶段3005所示，电池组3000因此包括绕中心心轴3020卷起的六个电池叠层3010。以从顶部到底部的顺序，第一、第三、和第五电池叠层各自包括负半电极3062、隔板3052、正半电极3044、和另一个隔板3032。此外，以从顶部到底部的顺序，第二、第四、和第六电池叠层各自包括正半电极3064、隔板3052、负半电极3042、和另一个隔板3032。在电极层3040中，第一和第二叠层经配线3046连接，第三和第四叠层经另一根配线3046连接，并且第五和第六叠层经另一根配线3046连接。在电极层3060中，第二和第三叠层经配线3066连接，第四和第五叠层经另一配线3066连接，并且第一和第六叠层各自经端子配线3068连接到外部。

在一些实施例中，电池叠层的长度使得它们绕中心心轴进一步被卷绕。每次附加的卷绕产生另一组类似的电池叠层并且处在图30A图像3005中所示那些叠层之上。

图30B示出根据一些实施例的通过电池组3000的电子流的路径。电子流的方向由箭头3071-3077示意性地示出。具体地，箭头3071和3077指示电子到电池组3000中的进入和离开方向，而箭头3072-3076描绘在电池组300中的电池叠层3010内以及在这些电池叠层3010之间的电子流。更具体地，箭头3071描绘，电子通过右手侧端子配线3068进入第六叠层3010的正半电极3064。

电子通过隔板流入每个电池叠层然后通过配线流向相邻电池叠层。例如，箭头3072描绘，在第六叠层3010中，电子从正半电极3064流动通过隔板3052到负半电极3042，然后通过将第六叠层连接到第五叠层的配线3046流动到第五叠层3010的正半电极3044。另一方面，箭头3073描绘，电子流在第五叠层3010中继续，然后通过将第五叠层连接到第四叠层的配线3066流动到第四叠层3010的正半电极3064，其中在第五叠层3010中，电子从正半电极3044通过隔板3052流向负半电极3062。箭头3074和3076分别以与由箭头3072所示的方式类似的方式指示第四和第二叠层中的电子流路径。此外，箭头3075以与由箭头3073所示的方式类似的方式示出第三叠层中的电子流路径。最终，箭头3076还描绘，在第一叠层中，电子从正半电极3044通过隔板3052流向负半电极3062。

图31示出根据一些实施例的螺旋卷绕模块3100的截面。如图31所示，模块3100包括模块壳体3102、壳体通风口3104、顶盖3106、正端子3108、负端子3110、正电流收集器3112、六个柱形电池叠层3116、负电流收集器3120、中心心轴3122、和底盖3124。能够在任意方向上使用模块2900或3100，并且术语“顶部”和“底部”仅用于参照附图。每个电池叠层3116是通过卷起与图30A中的电池叠层3010类似的平坦电池叠层而构建的柱形叠层。每个电池叠层3116的截面包括隔板和负或正半电极的交替层，如上文所描述的那样。而且，在一些实施例中，电池叠层3116的外层是隔板层。在一些实施例中，尤其使用外隔板作为电池电解质的存储部。

在一些实施例中，在固态蓄电池、铅酸蓄电池、燃料电池蓄电池、或一些其它类型的电化学蓄电池中使用上文讨论的设计。从本文公开的发明的说明书和实践的角度考虑，本公开的其它实施例对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。例如，在适合于期望的应用的情况下，所公开的实施例的各个元件或部件可以结合其它实施例的其它元件或部件。因此，意图是，说明书和示例仅被视为示例性的，且本公开的真实的范围和精神由所附权利要求书指示。

Claims (41)

1.一种螺旋卷绕电化学存储设备，所述设备包括：

包括电池叠层的柱形电池组，其中，所述电池叠层包括电池条，所述电池条从平坦构造被卷起，以形成所述柱形电池叠层；和

用于容纳所述柱形电池组的柱形壳体。

2.根据权利要求1所述的电化学存储设备，其中，所述电池叠层是被包括在所述柱形电池组中的多个电池叠层中的第一电池叠层，并且其中，所述多个电池叠层串联连接。

3.根据权利要求1所述的电化学存储设备，其中，所述电池叠层包括多个条，所述多个条包括正半电极条、负半电极条、和隔板半部条，并且其中，所述多个半条铺设在彼此之上，以形成所述电池叠层。

4.根据权利要求1所述的电化学存储设备，进一步包括中心心轴，其中，所述电池叠层绕着所述中心心轴被卷起。

5.一种制造螺旋卷绕电化学存储设备的方法，所述方法包括：

提供平坦电池条；

将所述平坦电池条卷起，形成柱形电池叠层的形式；

将所述柱形电池叠层连接到正端子并且连接到负端子；和

将所述柱形电池叠层插入柱形壳体中。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述平坦电池条是多个电池条中的第一电池条，并且其中，所述方法进一步包括：

平坦铺设所述多个电池条，以形成多个电池叠层；

串联连接所述多个电池叠层；和

卷起所述多个电池叠层，以形成所述柱形电池组。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述电池叠层包括多个条，所述多个条包括正半电极条、负半电极条、和隔板半部条，并且其中，所述方法包括将所述多个半条铺设于彼此之上，以形成所述电池叠层。

8.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：

提供中心心轴；和

绕所述中心心轴卷起所述平坦的电池条，以形成所述柱形电池叠层。

9.一种电化学存储设备，包括：

电化学电池组，其中，所述电化学电池组终止于极耳中；和

由金属片形成的功率总线，其中，所述功率总线将所述极耳电连接到设备端子，并且其中，通过将所述金属片焊接到所述极耳，所述功率总线被附接到所述极耳。

10.根据权利要求9所述的电化学存储设备，其中，所述金属片通过超声焊接附接到所述极耳。

11.根据权利要求9所述的电化学存储设备，其中，所述金属片被折叠，以形成顶表面、前表面和后表面，并且其中，所述顶表面电连接到所述设备端子，并且所述前表面环绕所述极耳被焊接。

12.根据权利要求9所述的电化学存储设备，其中，所述极耳是多个极耳中的一个极耳，并且其中，通过将所述金属片焊接到对应的所述极耳，所述功率总线被附接到所述多个极耳中的每一个极耳。

13.根据权利要求12所述的电化学存储设备，其中，所述功率总线在不同的点处具有不同的电阻率，以在所述多个极耳中的每一个极耳和所述设备端子之间提供均衡总电阻。

14.根据权利要求13所述的电化学存储设备，其中，所述功率总线通过在不同的点处具有不同的厚度而在不同的点处具有不同的电阻率。

15.根据权利要求13所述的电化学存储设备，其中，所述功率总线通过在所述功率总线的一些位置处形成孔而在不同的点处具有不同的电阻率。

16.一种制造电化学存储设备的方法，所述方法包括：

提供电化学电池组，其中，所述电化学电池组终止于极耳中；

提供包括平坦金属片的功率总线段；

将所述平坦金属片折叠并且焊接到所述极耳；和

将所述功率总线电连接到设备端子。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述平坦金属片焊接到所述极耳包括将所述金属片超声焊接到所述极耳。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，折叠所述平坦金属片包括形成顶表面、前表面和后表面，并且其中，所述顶表面电连接到所述设备端子，并且所述前表面环绕所述极耳被焊接。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述极耳是多个极耳中的一个极耳，并且其中，通过将所述金属片焊接到对应的所述极耳，所述功率总线被附接到所述多个极耳中的每一个极耳。

20.根据权利要求19所述的电化学存储设备，进一步包括通过使所述功率总线的电阻率在不同的点处不同而在所述多个极耳中的每一个极耳和所述设备端子之间提供均衡总电阻。

21.根据权利要求20所述的电化学存储设备，其中，使所述功率总线的电阻率在不同的点处不同包括使所述功率总线的厚度在不同的点处不同。

22.根据权利要求20所述的电化学存储设备，其中，使所述功率总线的电阻率在不同的点处不同包括在所述功率总线的一些位置处形成孔。

23.一种电化学存储设备，包括：

多个层电极，其中，每个层电极包括第一充电段和第二充电段，其中，所述第二充电段与所述第一充电段相比被反向充电，并且其中，所述多个层电极相对于彼此装配，使得所述多个层电极的第一板的第一充电段被铺设在所述多个层电极的第二板的第二充电段下方，所述第二板位于所述第一板紧接上方，其中，所述第一板和第二板的第一充电段的电荷具有第一符号，并且所述第一板和第二板的第二充电段的电荷具有与所述第一符号相反的第二符号；

隔板段，所述隔板段位于所述第一板的第一充电段和所述第二板的第二充电段之间，并且能够在所述第一板的第一充电段和所述第二板的第二充电段之间进行离子电荷交换。

24.根据权利要求23所述的电化学存储设备，其中，所述第一板的第二充电板铺设在所述第二板的第一充电段的下方，且所述电化学设备进一步包括绝缘体段，所述绝缘体段位于所述第一板的第二充电段和所述第二板的第一充电段之间并且防止在所述第一板的第二充电段和所述第二板的第一充电段之间进行离子或导电电荷交换。

25.根据权利要求23所述的电化学存储设备，其中，所述多个层电极中的每一个是圆形的。

26.根据权利要求24所述的电化学存储设备，其中，每个段具有半圆形状，所述半圆形状的尺寸被设计为约为对应的所述层电极的一半。

27.根据权利要求23所述电化学存储设备，其中，所述多个层电极的每个板进一步包括框架，所述框架容纳对应的所述板的第一充电段和第二充电段。

28.根据权利要求23所述的电化学存储设备，进一步包括用于盖住所述多个层电极的第一帽件和第二帽件。

29.根据权利要求23所述的电化学存储设备，进一步包括导电衬底，所述导电衬底用于在所述第一充电段和所述第二充电段之间提供导电连接。

30.根据权利要求23所述的电化学存储设备，其中，所述多个层电极中的每一个具有矩形形状。

31.根据权利要求30所述的电化学存储设备，其中，每个段具有半矩形形状，所述半矩形形状的尺寸被设计为约为对应的所述层电极的一半。

32.一种电化学存储设备，包括：

第一电化学电池和第二电化学电池，所述第一电化学电池和第二电化学电池布置在公共的壳体中并且各自包括阳极和阴极，其中，所述第一电化学电池的阳极被布置成与所述第二电化学电池的阴极相对置；

隔板，所述隔板布置在所述第一电化学电池的阳极和所述第二电化学电池的阴极之间，其中，所述第一电化学电池的阴极和所述第二电化学电池的阴极是电绝缘的并且通过在所述隔板中吸收的离子传导介质连通；

公共电流收集器，所述公共电流收集器布置在所述第一电化学电池的阳极和所述第二电化学电池的阴极上，其中，所述第一和第二电化学电池电连接并且被防止离子传导，并且其中，所述第一和第二电化学电池的离子分离减小了分路电流。

33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述电流收集器提供大致均匀的电流收集，所述均匀的电流收集提供均匀的电流密度。

34.根据权利要求32所述的设备，进一步包括疏水涂层，所述疏水涂层布置在所述公共电流收集器的在所述阳极和所述阴极之间的部分上。

35.根据权利要求32所述的设备，进一步包括物理屏障，所述物理屏障被构造成与所述第一和第二电化学电池离子绝缘。

36.根据权利要求32所述的设备，进一步包括一个正端子接头和一个负端子接头。

37.根据权利要求32所述的设备，进一步包括绝缘框架，所述绝缘框架用于将两个或更多个电化学电池的阳极和阴极布置在大致相同的平面中。

38.根据权利要求29所述的电化学存储设备，其中，所述导电衬底由无定形材料制成。

39.根据权利要求29所述的电化学存储设备，其中，所述导电衬底是丝网，所述丝网包括在从所述第一段指向所述第二段的方向上延伸的伸长直线。

40.根据权利要求30所述的电化学存储设备，其中，矩形的所述多个层电极中的每一个矩形具有在从所述第一段指向所述第二段的方向上的宽度和垂直于所述宽度并且大于所述宽度的长度。

41.根据权利要求23所述的电化学存储设备，进一步包括内部段、基部和嵌入件，其中，所述内部段包括所述多个层电极和所述隔板，并且其中，所述基部被构造成形成所述电化学设备的外表面，并且其中，所述嵌入件被构造用于插入到所述基部和所述内部段之间并且进一步被构造用以增加所述基部的刚度。