CN105633416B - 电能量存储设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电能量存储设备,所述能量存储设备包括:涂覆有碳(石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维、CNT或者石墨涂覆的CNT)的高表面面积纤维(例如,具有形状的纤维和/或微纤维)；电解质；和/或位于电极中的电极活性材料(例如,铅氧化物)。所述电极用于形成诸如电化学电池、电化学双层电容器以及非对称电容器的电存储设备。

Description

电能量存储设备
本申请是申请日为2009年11月18日、国际申请号PCT/US2009/064992、国家申请号为200980146053.1、发明名称为“电能量存储设备”的发明专利申请的分案申请。
相关申请
本申请要求享有2008年11月18日提交的美国临时申请61/115,815和2009年2月9日提交的美国临时申请61/150,987的优先权，在这里以引用的方式将二者全部并入本文。
技术领域
本发明涉及电化学电池、电化学双层电容器以及非对称电容器中的纤维(例如，毛细纤维)的使用。
背景技术
已知提供诸如电化学电池和电容器之类的电能量存储设备在诸如汽车之类的车辆中使用。例如，已经在启动、点火和引燃(SLI)应用中使用铅酸电池。
最常见的两种电能量存储设备是电池和电容器。通过生成施加到也可以用作电荷收集器的基底(例如，板栅、板或者丝网)的铅膏来形成常规的铅酸电池电极。随着铅膏的干燥，在电池电解质可能进入的铅膏内形成开孔，这增加了板栅的反应面积并且增加了其电荷能力。然而，过量的孔隙率降低了电极的结构整体性。此外，由于常规的电极具有有限的孔隙率，大量的活性材料不能接近电解质并且由于其对于反应不可用而未被充分利用或者基本上被浪费。典型地，常规铅酸电极中的大约一半的铅不可用或者未被使用。在整个寿命期间，电池会多次进行充电和放电，这也会随着供应电流重复反向的还原-氧化反应而使电极降质。随着时间的过去，电极的一部分可能变得与电极的剩余部分电断开。电极的结构整体性也随着时间恶化。为了将电极材料保持在适当的位置，可以使用纱幕层(scrim layer)(例如，纤维网状物)。可以在施加活性材料膏之前在电荷收集器上放置纱幕层和/或在施加活性材料胶之后放置在该膏上。纱幕层可以帮助将电极保持在一起，但是不改善孔隙率或者增加反应性。
电容器以两个导体之间的电场形式存储能量。典型的电容器使用薄板的堆叠(交替的电容器板和电介质)或者薄片的卷(交替的电容器和电介质片卷在一起)。能量通常以具有相等幅值和相反极性的电荷的形式存储在由电介质材料分隔开的相邻板或者片中。在典型的电容器中，电流从电容器表面流经整个电容器板，要求所述板是导电的以降低电阻损失，并且足够厚而不会过热和熔化。这样的要求对电容器的能量存储与重量比提出了不期望的限制。电容(即，存储在每一个板上的电荷量)与板表面面积成正比并且与板之间的距离成反比。因而，增加电容器存储能量的能力通常要求增加板尺寸和/或降低板之间的距离。然而，增加板尺寸增加了电阻和过热问题，并且降低板间隔增加了电荷直接经过板之间(即，短路)，将其烧毁并且使电容器不能够保持电荷的风险。
电化学双层电容器(“EDLC”)是能够比传统的静电电容器在每单位重量和每单位体积上存储更多能量的能量存储设备。而且，EDLC通常能够以比常规的可再充电电池更高的功率额定传输所存储的能量。常规的EDLC使用碳作为电极中的活性材料。常规的EDLC包括通过多孔隔板隔离而免于电接触的两个多孔电极。隔板和电极都使用电解质溶液浸泡。这允许离子电流通过隔板在电极之间流动，但是防止了电流短路电池。电流收集板栅耦合到每一个电极的后面。EDLC在浸入在电解质中的两个电极之间存在电势时形成的极化液体层中存储静电能量。在电极两端施加电势时，由于在所施加的电场下的电荷分离，并且还由于电解质分子在电极的整个表面上的双极取向和排列，通过电解质离子的极化在电极-电解质界面处形成正负电荷的双层。在电荷存储机制中不涉及还原-氧化反应。
非对称电化学电容器使用电池电极用于电极之一。电池电极与碳电极相比较具有大的容量，使得其电压不随着电荷明显改变。这允许更高的整体电池电压。非对称电容器材料的示例包括具有碳的PbO2和具有碳的NiOOH。
基本和其它有利特征概况
存在对于具有更大的能量存储能力、降低的重量和/或改善的可循环性的电能量存储设备的显著需要。期望提供一种例如在本申请中公开的包括这些或者其它有利特征中的任意一个或者多个的电池、电容器、非对称电容器等类型的能量存储设备：
1.用于能量存储设备的电极在不降低结构整体性的同时具有增加的磁导率；
2.用于能量存储设备的电极在不降低磁导率的同时具有增加的结构整体性；
3.在不降低能量容量的同时使用较少活性材料的能量存储设备；
4.包括作为电化学电池和电容器存储能量的电极的能量存储设备；
5.比常规的能量存储设备具有更高的能量尺寸比的能量存储设备；
发明内容
示例性实施例涉及一种能量存储设备，所述能量存储设备包括至少一个正电极、至少一个负电极、以及将正电极与负电极分隔开的至少一个隔板，其中所述至少一个负电极或者至少一个正电极中的至少一个包括高比表面积的纤维。
另一示例性实施例涉及一种电极，所述电极包括电荷收集器板栅、涂覆在所述电荷收集器板栅上的电极活性材料、以及高比表面积的纤维。
另一示例性实施例涉及一种电极，所述电极包括电荷收集器，所述电荷收集器包括由高比表面积的纤维构成的毡以及涂覆在所述毡上的电极活性材料。
在下面根据本发明的各种设备、结构和/或方法的各示例性实施例的详细描述中描述了根据本发明的系统和方法的各实施例的这些和其它特征和优点，并且通过所述详细描述，所述特征和优点将变得显而易见。
附图说明
将参考附图详细描述根据本公开的系统和方法的各示例性实施例，在附图中：
图1是根据示例性实施例包括电池模块的车辆的透视图；
图2是根据示例性实施例的电池模块的截面分解图；
图3是根据本发明的三叶型纤维的示例性实施例的截面图；
图4是根据示例性实施例的四叶型纤维的截面图；
图5是根据示例性实施例的圆形纤维的截面图；
图6是根据示例性实施例加载有碳并且涂覆有电池电极活性材料的三叶型纤维的截面图；
图7是根据第一示例性实施例具有一毡毛细纤维的电极的部分透视图；
图8是根据第二示例性实施例加载有碳和电解质并且涂覆在电池电极活性材料中的三叶型纤维的截面图；
图9是根据示例性实施例具有涂覆在纤维的内部上并且渗透电解质的电极活性材料的纤维的截面图；
图10是根据示例性实施例使用根据图9的实施例的纤维的双电化学电池和EDLC的正视图；
图11A是根据示例性实施例的电池板栅的正视图；
图11B是根据示例性实施例由高比表面积纤维覆盖的图11A的电池板栅的正视图；
图11C是根据示例性实施例由电极活性材料覆盖的图11B的电池板栅的正视图；
图12A是根据示例性实施例涂覆有电极活性材料的具有形状的纤维的截面图；
图12B是根据示例性实施例涂覆有可渗透绝缘体的图12A的纤维的截面图；
图12C是根据示例性实施例由图12B的纤维制成的毡的透视图；
图13是根据第一示例性实施例的双组件细丝的端视图；
图14是根据第二示例性实施例的双组件细丝的透视图；
图15是根据第三示例性实施例的双组件细丝的透视图；
图16是根据第四示例性实施例的双组件细丝的侧视图；以及
图17是根据第五示例性实施例的双组件细丝的侧视图。
应该理解，附图并不必要按比例绘制。在某些实例中，省去了对于理解本发明不必要或者使其它细节难于理解的细节。当然应该理解，本发明不必限于这里说明的特定实施例。
具体实施方式
参考图1，所示出的车辆160包括根据示例性实施例的电能量存储设备100。尽管将车辆160示出为汽车，但是根据各可选实施例，所述车辆可以包括各种类型的车辆，包括汽车、公共汽车、休闲车、轮船等等。根据示例性实施例，车辆160使用内燃机(未示出)用于机车目的。
图1所示的电能量存储设备100被配置成提供启动或者操作车辆160和/或各种车辆系统(例如，开始、点火和引燃系统(SLI))所需的能量的至少一部分。此外，应该理解，可以在不涉及车辆的各种应用中利用电能量存储设备100，并且所有这些应用都旨在处于本公开的范围内。
图2示出了根据示例性实施例的电能量存储设备100。在各实施例中，电能量存储设备100包括在包含电解质的容器或者壳体110的单独隔室中设置的几个电池元件。图2的实施例涉及汽车应用，其中在六个堆107的每一个中使用12-16个板104和105构成的组用于产生标准汽车12-伏特电池。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，在阅读本说明书之后，根据期望的终端使用，单个的板104和105的尺寸和数量、在任意特定堆107中板104和105的尺寸和数量以及用于构造电能量存储设备100的堆107的数量可以宽范围地变化。
在各个实施例中，壳体110包括类似盒子的基部或者容器并且至少部分由可模压树脂制造。多个堆107或者板块根据电能量存储设备的容量串联连接，并且连同通常是含水硫酸的电解质一起容纳在容器或者壳体110中。
在各个实施例中，电能量存储设备100包括具有前壁、端壁、后壁和底壁的隔室。在各实施例中，在端壁之间设置五个电池分隔或者划分器，产生六个隔室，这通常存在于十二伏特汽车电池中。在其它实施例中，分隔和隔室的数量可以改变以生成具有不同电压的电能量存储设备。在各实施例中，板组或者堆107位于每一个隔室中，每一个板组或者堆107包括一个或者多个正板104和负板105，每一个板具有至少一个手柄(lug)103、以及放置或者设置在每一个正板104和负板105之间的隔板106。在各示例性实施例中，正板104和负板105包括具有附接手柄103的板栅101和102，板栅101和102分别涂覆有正电极活性材料或者负电极活性材料或者膏。
为壳体110提供盖111，并且在各实施例中，盖111包括端子衬套和填充管以允许电解质添加到电池中并且允许检修。为了防止电解质从填充管中的不期望溢出，并且为了允许在电化学反应期间生成的气体的排放，电能量存储设备还可以包括一个或者多个填充器孔帽和/或通风帽组件。
可以在电能量存储设备的顶部或者前隔室上或者周围发现至少一个正端子柱108和负端子柱109。根据电能量存储设备的设计，这种端子柱108和109通常包括可以延伸经过盖111和/或壳体110的前面的部分。在各实施例中，端子柱108和109还延伸经过端子柱密封组件(未示出)以帮助防止酸的泄露。应该意识到，各种端子布置都是可能的，包括本领域中已知的顶部、侧面或者拐角配置。
图2还示出了包括具有足以电耦合板组中的每一个手柄的长度的矩形细长体部分以及具有圆角顶部的向上延伸部件的常规浇铸接线片112。图2还示出了要耦合到负端子柱的浇铸接线片耦合手柄。如图2所示，根据各实施例，所述浇铸接线片包括耦合端部隔室中的各自手柄的主体部分以及与其一起形成以突出穿过盖的柱。
每一个电池元件或者段包括至少一个正板104、至少一个负板105、以及位于每一个正板104和负板105之间的隔板106。隔板106设置在板之间以防止在电能量存储设备100中发生反应期间产生短路和不期望的电子流。
如上所述，常规的电池板或者电极的反应性随着板或者电极的孔隙率(与空隙空间的量相关)的增加而增加。然而，常规的电极的结构整体性或者强度以及内部导电性随着孔隙率的增加而降低。此外，常规的电极的结构强度和内部导电性倾向于随着电池放电和重新充电的时间而恶化。
这里描述的板或者电极比常规的电极具有更大的孔隙率和/或结构完整性。在各示例性实施例中，将具有通过毛细作用传输电解质溶液的能力的小的高比表面积纤维(例如，具有形状的纤维和/或微纤维)并入电极的各种部件或者部分，或者将其与电极的各种部件或者部分以其它方式一起利用。所述高比表面积纤维可以加强电极和/或生成用于电解质的路径，以更好地渗透电极活性材料。所产生的电极要求更少的活性材料以产生相同的电流，并且通过比常规的电极更多的放电-再充电周期保持其电荷能力。它们还更好地维持其结构完整性和/或内部导电性。在各示例性实施例中，非毛细导电纤维也能够用于加强电极活性材料并且增加内部电极导电性。
在各示例性实施例中，所公开的电极也可用于电化学双层电容器(“EDLC”)中。通过包括各种形式的碳来增强电容，例如包括石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维、以及碳纳米管(CNT)或者这些材料的任意组合。可以在毛细纤维中设置(例如，涂覆或者灌输)碳和/或使碳与活性材料混合。向纤维中添加碳有助于增加其有效的表面面积及其导电性。导电纤维有助于防止电极的一部分变为电隔离(例如，通过电极的一部分的物理和/或导电断开和/或通过在电极中形成不好的导体)。应该理解，这里所使用的术语“电极”是指用于在电化学电池单元、EDLC和/或非对称电容器(例如，双电池/EDLC)中存储电荷的设备。
在各示例性实施例中，所公开的能量存储设备包括非对称电容器。非对称电容器是其中一个板由电池电极代替的电化学电容器。在各示例性实施例中，在所公开的能量存储设备中的电极作为电化学电池电极和电化学电容器电极二者来存储电荷。
作为示例，图3-5示出了位于本发明范围内的三种形状的纤维。图3示出了三叶型纤维241的一个示例性实施例。图4示出了四叶型纤维242的一个示例性实施例。图5示出了圆形纤维243的一个示例性实施例。这些和其它形状具有能够在不使用或者不需要粘合剂的情况下维持涂覆在其中的材料的能力。也可以使用现在已知或者以后研究的其它纤维形状。
在各示例性实施例中，根据处理方法，所述纤维具有大约1微米到大约100微米的截面直径以及0.02-20mm的长度。具有高比表面积的毛细纤维的制造是已知的。例如，Largman等人(US 5,057,368)解决了三叶型和四叶型纤维的制造，在这里以引用的方式将其全部公开并入本文。
单个的纤维可以是直的或者非直的。非直的纤维可以具有一个或者多个形状，例如包括但不限于盘绕纤维、环路纤维、卷曲纤维和喷气交缠纤维。这些以示例的方式提供，并且单个的纤维可以具有这些或者其它形式中的一个或者多个的截面。
在各示例性实施例中，纤维由聚合物(例如，聚酯、聚丙烯、聚乙烯、和/或聚对苯二甲酸乙二酯)形成。在纤维形成之前或者之后，聚合物可以与附加材料(例如，碳、金属和金属氧化物)一起利用。纤维可以由各种有机和/或无机材料形成，例如包括聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和/或玻璃。纤维还可以由根据其配置能够用作I、II或者III型电容器的导电聚合物(例如，氧化还原聚合物)形成。材料的选择可能受到它们所放置或者利用的环境的影响(例如，抵抗在电池中使用的酸的腐蚀效应的材料)。可以在单个步骤或者多个步骤中形成纤维，以提供具有各种机械特性、化学特性、电特性和/或“流体”传输属性的不同材料层。可以通过亲水或者疏水纤维材料的选择来调节或者改变纤维的毛细行为。
在各示例性实施例中，可以以所述纤维的“原形”、碳化、和/或预加载有工程材料(例如，金属、碳黑、硅、锡氧化物、石墨和/或酸)的形式使用所述纤维。在各示例性实施例中，利用各种方法和/或方式预处理纤维。预加载的材料可以包括纳米级材料，例如以纳米纤维和多壁纳米管为例。可以通过任何适合的方式施加涂层，例如以经由扩散和浆液形式的溶剂的沉积(例如，通过水、酸或者其它溶剂)、通过喷涂、或者通过浸入纤维(例如，在导电金属中)为例。例如，可以制造纤维的许多材料比铅基电极活性材料具有更高的熔点。因而，可以通过将纤维浸入熔化的活性材料中并且允许该活性材料变硬、固体化和/或关于纤维的其它形式向纤维施加铅基活性材料。
在各示例性实施例中，EDLC与电化学电池(例如，铅酸或者锂离子电池)集成。在各实施例中，电池电极还用作EDLC电极。所述电极可以包括电池电极活性材料和碳。在各实施例中，电解质包含足够的离子以与电池活性材料进行化学反应并且形成EDLC带电层。
所述纤维可以由各种材料构成，包括导电材料和/或电介质材料。在各实施例中，纤维由两种或者更多种材料制成(例如，导电芯和电介质表面)。所述纤维可以在其芯中或者在内部(例如，在其内部)导电并且在其表面上或者外部非导电，这将允许所述芯为或者作为用于由电介质材料形成的电容器的电流收集器。这可以至少部分地通过例如使纤维复合(coextruding)或者通过使用电介质涂覆导电纤维来实现。
如图6所示，在各示例性实施例中，示例性的三叶型纤维241涂覆或者加载有碳添加剂245(例如,石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米管，和/或CNT)。可以将碳材料以原始形式(即，没有任何粘合剂材料)或组合形式加载到纤维的区域内或纤维表面上，在组合形式中，已知量的粘合剂添加到碳中以形成稳定的多孔合成物(例如，在纤维内)。CNT、碳纳米纤维以及碳须可以在各种基底上生长。实现这的一种方法在国际专利申请No.PCT/US2007/011577中有所公开，这里以引用的方式将其全部内容并入本文。
在各示例性实施例中，如图6所示，纤维241(例如，内部表面)涂覆有碳并且由电极活性材料围绕(例如，涂覆在纤维上或者与纤维混合)。
在各示例性实施例中，如图7所示，将毛细纤维设置或者以其它方式形成为毡222(例如，编织、非编织或者点接合)。在各实施例中，在毡222上设置(例如，涂覆)活性材料223(例如，铅氧化物)以形成用于电能量存储设备(例如，电化学电池)的电极220。在各实施例中，如图6所示，所述纤维也可以涂覆有碳(例如，石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维和/或CNT)，并且在一些实施例中，所述纤维用作EDLC。这样的实施例可以有助于增加寿命周期，生成高的界面面积从而增加活性电极的双层电容，有助于优化电荷接受力和/或高速放电，和/或改善活性材料的转换效率(例如，初始电荷)。
在各示例性实施例中，除了或者代替图7所示的较长纤维，与活性材料一起散布、混合或者以其它方式设置纤维短片。可以在常规电荷收集器(例如，板栅、板或者丝网)上或者在纤维毡上设置短纤维片和活性材料的混合物。在各示例性实施例中，可以将短长度的纤维粘附到电荷收集器的表面，以有助于形成植绒结构(flocking structure)来支撑活性材料。在活性材料中包括短纤维片有助于增加电极的孔隙率和/或反应性，这有助于降低形成电极所需的活性材料的量。如果将纤维片涂覆在碳中，则所产生的板也可以用作EDLC。
在各示例性实施例中，包括纤维网状物的纱幕层(未示出)包括在电极中。纱幕层可以包括在活性材料和电荷收集器之间，和/或位于活性材料上方或者至少部分地嵌入在活性材料中。在各实施例中，纱幕层由具有上面讨论的类型的毛细纤维形成。包括纱幕层的纤维可以预加载有例如以电极活性材料、碳(例如，石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维和/或CNT)、硅和/或酸为例的材料。在各示例性实施例中，所述纱幕层由碳形成和/或涂覆或者灌注有碳，以有助于改善电容和导电性(例如，在海绵铅和碳电容器电极中)。在其它实施例中，纱幕层涂覆或者灌注有碳和铅氧化物，以形成双电化学电池电极和EDLC。纱幕层可以由一定图案的编织的或者非编织的网状物形成，以调节纱幕粘附和/或支撑活性材料的能力。在各示例性实施例中，可以利用纱幕层作为收集器板栅的一部分，纤维直接耦合或者连接到或者以其它方式形成或者有助于形成板连接器。
图8示出了至少部分地设置(例如，涂覆)有碳245(例如，石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维或者CNT)以及位于其表面的至少一些(例如，内部表面)上的电解质224的示例性纤维241的截面图。在各实施例中，纤维241也灌注有电解质中并且至少部分由电极活性材料223围绕。在各实施例中，具有形状的纤维241之间的平均距离大致为电池电极的厚度的一半。然而，可以利用其它间距。
根据各示例性实施例，电池单元包括电极，所述电极具有延伸进入和/或经过该电极的毛细纤维(例如，高比表面积纤维)。在各示例性实施例中，毛细纤维有助于将电解质汲入到电极中(例如，到电极的内部)以有助于改善孔隙率，增加电极的有效表面面积。在各示例性实施例中，所述纤维还通过用作胶粘或者加强纤维来有助于维持电极的结构完整性(例如，防止由电池循环导致的结构降级)。
根据各示例性实施例，电池单元230包括加载有电极活性材料(例如，铅基膏)的毛细纤维的阵列225(图9中示出了一个示例性纤维的截面)。在各实施例中，纤维阵列225基本上浸入在电解质224溶液中。纤维阵列225可以是任意形式(例如，松散纤维、编织或者非编织的毡、捆等等)。在各实施例中，例如如图10所示，纤维阵列225可以用作电极的电流收集器，一些加载有阳极活性材料并且另一些加载有阴极活性材料。在各示例性实施例中，利用这样的纤维制造的电极可以有助于降低所需的铅量，缩短或者消除干燥工艺，不需要粘合剂，和/或增加导电性。
根据各示例性实施例，可以在所示的各实施例中的任意一个中向纤维添加碳(例如石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维和/或CNT)以获得来自该纤维的EDLC效应。碳添加剂有助于生成用于EDLC的碳-电解质界面。在各示例性实施例中，向纤维添加CNT还增加了沿着纤维的导电性。在各示例性实施例中，所述纤维包含碳并且是电化学电池电极的一部分以形成非对称电容器。
根据各示例性实施例，图11A-11C示出了电极的构造。在各实施例中，毛细纤维设置(例如，加载)有电极活性材料。碳添加剂也可以加载在纤维上。所述纤维还可以至少部分地覆盖有电池隔板。在各示例性实施例中，如图11A所示，设置电荷收集器201(例如，板栅、板或者丝网)。电荷收集器至少部分地设置或者涂覆有电极纤维222，如图11B进一步所示。纤维可以设置在电荷收集器的一侧或者两侧上，和/或耦合到端子。在各实施例中，如图11C所示，纤维222至少在其与电荷收集器接触的外部表面上部分地设置有电极活性材料223(例如，外部电极活性材料可以与加载在纤维内部的电极活性材料极性相反)。所示的电荷收集器是铅板栅或者丝网形式的正收集器，但是其可以是任意的电荷收集器或者基底。在一些实施例中，所述电荷收集器是至少部分由导电毛细纤维制造的毡。可以潜在地使用任何合适或者适合的隔板材料。在各示例性实施例中，设置在纤维内部上的活性材料与涂覆在外侧上的不同(例如，阴极活性材料对阳极活性材料)。
在各替代实施例中，除了或者代替图11B和11C所示的长纤维，可以在一个或者多个电池板栅上设置短纤维片。在各实施例中，也可以以用于有助于支撑活性材料的“浮置结构”设置或者施加纤维。
如图12A所示，根据各示例性实施例，电池单元包括涂覆有阳极或者阴极活性材料223的毛细纤维241。如图12B所示，纤维241至少部分地与电池隔板的保护壳或者外套206绝缘。在各示例性实施例中，如图12C所示，纤维241形成为毡222(例如，编织的或者非编织的)，包括大致相等或者类似量的阳极和阴极。在其它示例性实施例中，电池单元可以形成有单独的仅阳极毡和仅阴极毡。
根据一些示例性实施例，电极活性材料膏设置(例如，混合)有碳，例如以石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维、CNT或者涂覆有石墨的CNT为例的碳，以有助于生成电极内碳的矩阵。可以例如设置碳纤维以增加电极活性材料的结构强度，电极的孔隙率和/或电极用作EDLC的能力。根据各示例性实施例，通过制造碳纳米纤维或者CNT(单壁或者多壁)和水(例如，超声扩散)或者铅粉(例如，通过挤压机扩散)的母料并且设置(例如，混合或者融合)具有用于形成电极活性材料混合物膏的电极活性材料的母料来制造电极。在各实施例中，将所述膏施加或者以其它方式设置在电极基底的至少一部分上，并且干燥和/或允许干燥以形成电极板。这可以通过各种方法实现，例如包括在基底上滚压混合物。在各示例性实施例中，在整个电极上基本一致地扩散碳。碳纤维可以具有各种尺度并且在各种浓度中使用(例如，电极混合物的重量大约0.05到5％)。在各示例性实施例中，碳纤维的添加在不降低其电化学电池容量的同时增加了EDLC的电容。在各示例性实施例中，碳纤维还改善了电极的结构完整性。
在各实施例中，纤维可以由经历电化学掺杂(例如，P掺杂或者N掺杂)的导电或者导电聚合物制成，从而用作电解质电容器。在各实施例中，两种类型的电极(例如，阳极和阴极)可以由能够进行P掺杂或者N掺杂的相同材料(例如III型)构成从而用作电解质电容器。在各实施例中，可以向电极添加至少部分由导电聚合物形成的纤维形成的纱幕毡以提供EDLC功能性。
在各示例性实施例中，使用微纤维形成能量存储设备。出于本公开的目的，“微纤维”是具有大约1.5或者更少的每单丝旦数(dpf)的任何纤维。这种类型的纤维有时也被称为“微旦数”。微纤维可以具有任意的截面形状，包括圆形。除了或者代替具有形状的纤维，可以在上述实施例的任意一个中使用微纤维。由于微纤维相对于其体积的大表面面积，微纤维在毛细液体方面尤其有效。微纤维可以由聚合物(例如，聚酯、聚丙烯、聚乙烯、和/或聚对苯二甲酸乙二酯)制成。
微纤维在织物中的使用是已知的。例如，在美国专利6,627,025、7,160,612和7,431,869中以及John F.Hagewood，Ultra Microfibers：Beyond Evolution，Http://www.hillsinc.net/Ultrabeyond.shtml中公开了示例性微纤维，这里以引用的方式并入其全部内容。这些类型的微纤维可以在所公开的能量存储设备中使用，无论是否形成为纤维或者毡。
在一些示例性实施例中，通过拉长和处理2-4dpf范围内的双组件细丝并且之后将该细丝划分为具有0.1或者更低dpf的微纤维来形成微纤维。图13示出了具有大致3dpf的双组件细丝。在第二组件的矩阵中存在第一组件的64个微纤维。在该实施例中，所述双组件细丝是大致80％的微纤维和20％的矩阵。由于双组件细丝的dpf为3，因此所述拉长可以与用于标准共聚物纤维的相同。通过分解出矩阵组件将微纤维与矩阵组件分离，可以在细丝和/或微纤维形成为毡或者其它能量存储设备结构之前或者之后执行该工艺。图14示出了使用分解出矩阵组件的上述技术形成的每细丝具有1120个微纤维的双组件细丝，将所述双组件细丝的一部分分离为微纤维。
在各示例性实施例中，通过拉长2-4dpf双组件纱线细丝形成微纤维，所述拉长通过使用常规的技术进行。在各示例性实施例中，将中性腐蚀剂施加到纱线使单个的微纤维与双组件纱线细丝分离。图15示出了根据该技术制造的具有大约0.1dpf的微纤维。
在一些示例性实施例中，在不使用腐蚀剂的情况下将纱线细丝分离为微纤维。可以在不使用腐蚀剂的情况下划分例如在图16中示出的可划分的中空纤维。在各示例性实施例中，拉长聚酯/聚丙烯细丝并且之后进行划分。图15示出了在处理之前具有198个3-dpf细丝的细丝。在各示例性实施例中，机械地抽出细丝以产生具有大约0.2dpf的3168个微纤维。
在各示例性实施例中，并且如图17所示，微纤维由具有第一聚合物芯以及在三叶型或者德尔塔截面细丝的尖端上较小量的第二聚合物的双组件细丝形成。在图17所示的实施例中，芯聚合物是可熔化拉长的聚亚安酯并且尖端是聚丙烯。两种聚合物的比值是大致70％的聚亚安酯与30％的聚丙烯。如图所示，使用标准的完全取向纱线拉长/抽拉工艺制造细丝并且所述细丝具有大致3的dpf。在拉长之后，在各示例性实施例中，扭转细丝并且进行湿热处理以有助于产生诸如如图17所示的细丝。与形成具有大约0.2或者更少dpf的微纤维的芯分离的尖端在细丝芯周围呈螺旋形。细丝芯还可以在加热处理期间收缩。
在各示例性实施例中，以“初始形式”、碳化和/或预涂覆有工程材料(例如，金属、碳(例如石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维和/或CNT)、硅、锡氧化物和/或酸)的形式使用微纤维。在各示例性实施例中，利用各种方法和方式预处理微纤维。预涂覆的材料可以包括纳米级材料，例如以纳米纤维和纳米管为例。可以通过经由扩散和浆液形式的溶剂(例如，通过水、酸或者其它溶剂)的沉积、通过喷涂、或者通过浸入微纤维(例如，在导电金属中)来施加涂层。例如，可以形成微纤维的许多材料具有比铅基电极活性材料更高的熔点。因而，可以通过将微纤维浸入熔化的活性材料中并且允许所述活性材料变硬、固体化和/或关于微纤维的其它形式将铅基活性材料施加到微纤维。
微纤维可以由各种材料构成，包括导电材料和/或电介质材料。在各实施例中，微纤维由两种或者更多材料制成(例如，导电芯和电介质表面)。微纤维可以在其芯中或者在内部是导电的并且在其表面或者在外部是非导电的，这将允许芯用作由电介质材料形成的电容器的电流收集器。这可以至少部分地通过例如使用电介质涂覆导电微纤维来实现。
在各示例性实施例中，微纤维涂覆有碳(例如石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维、和/或CNT)。碳材料可以涂覆或者以其它方式设置处于原始形式(即，没有任何粘合剂材料)或者处于将已知量的粘合剂添加到碳中的合成物形式的微纤维上，以在微纤维上形成稳定的多孔合成物。CNT、碳纳米纤维以及碳须还可以在各种微纤维基底上生长。
在各实施例中，微纤维段(例如，短的微纤维片)设置在一个或者多个电池板栅上。在各实施例中，将这样制造的微纤维设置为可以用于有助于支撑活性材料的“浮置结构”。
在各示例性实施例中，使用微纤维形成电池电极，其中所述微纤维被碳化或者石墨化，并且涂覆或者以其它方式设置有活性材料。在各实施例中，微纤维由聚合物(例如，聚烯羟)制成。在各示例性实施例中，设置(例如，施加到其表面)金属颗粒(例如，镍、铁、钴、钼)，这可以通过任何适合的方式实现，例如以喷涂为例。在各实施例中，金属颗粒是其上可以形成或者生长碳纤维(例如，CNT)的基底或者种子。在各示例性实施例中，例如通过在碳微纤维/纳米管束周围和/或经过该碳微纤维/纳米管束按压或者滚压活性材料而在微纤维周围设置或者施加活性材料。在各示例性实施例中，使用电解质溶液使所述捆变湿。在该工艺的任意点处，可以将单个的微纤维形成为捆或者毡，这可以是编织或者非编织的。
单个的微纤维可以是直的或者非直的。在各示例性实施例中，所述微纤维可以是盘绕纤维、环路纤维、卷曲纤维、喷气交缠纤维、或者这些和其它形状的组合。
在各示例性实施例中，将所述微纤维设置或者以其它方式形成为毡(例如，编织的、非编织的、或者点接合)。在各实施例中，在微纤维毡上设置(例如，涂覆)活性材料(例如，铅氧化物)，以形成用于电化学电池的电极。所述微纤维还可以涂覆有碳或者纳米管(并且在至少一些实施例中，从而用作EDLC)。这样的实施例可以有助于增加寿命周期，生成高的界面面积从而增加用于活性电极的双层电容，有助于优化电荷接受力和/或高速放电，和/或改善活性材料的转换效率(例如，初始电荷)。
在各示例性实施例中，插入、混合或者以其它方式与活性材料一起设置微纤维的片(例如，短片)。可以将短微纤维片和活性材料的混合物设置(例如，涂覆)在常规的电荷收集器(例如，板栅、板或者丝网)上或者纤维毡上。在各示例性实施例中，可以将短长度的微纤维粘附到电荷收集器的表面，以形成植绒结构来支撑活性材料。在活性材料中包括短微纤维片有助于增加电极的孔隙率和/或反应性，这有助于降低形成电极所需的活性材料的量。如果将微纤维片涂覆在碳中，则也可以在EDLC中使用电极。
在各示例性实施例中，包括微纤维网状物的纱幕层包括在电极中。纱幕层可以包括在活性材料和电荷收集器之间，和/或位于活性材料上方或者至少部分地嵌入在活性材料中。在各实施例中，纱幕层由上面讨论类型的微纤维形成。包括纱幕层的微纤维可以预涂覆有例如以活性材料、碳、硅、石墨和/或酸为例的材料。在各示例性实施例中，纱幕层由碳形成和/或涂覆有或者灌注有碳，以有助于改善电容和导电性(海绵铅和碳电容器电极)。在其它实施例中，纱幕层涂覆或者灌注有碳和铅氧化物，以形成双电化学电池电极和EDLC。纱幕层可以由各种图案的编织的或者非编织的网状物形成，以调节纱幕粘附和/或支撑活性材料的能力。在各示例性实施例中，纱幕层可以用作具有微纤维的收集器板栅或者其一部分，所述微纤维直接耦合或者连接到或者以其它方式形成或者有助于形成板连接器。
根据各示例性实施例，电池单元包括电极，所述电极具有延伸进入和/或经过该电极的微纤维。在各示例性实施例中，微纤维有助于将电解质汲入到(例如，到电极的内部)电极(例如，活性材料)，以有助于改善孔隙率，增加电极的有效表面面积。在各示例性实施例中，微纤维也通过用作传递或者加固纤维来有助于维持电极的结构完整性(例如，在电池进行充电和放电时)。
根据各示例性实施例，电池单元包括涂覆有活性材料(例如，膏)的微纤维的阵列。在各实施例中，微纤维基本上浸入在电解质溶液中。微纤维阵列可以是任何形式(例如，松散纤维、编织的或者非编织的毡、捆等等)。在各实施例中，微纤维用作电极(例如，导电电流)，一些微纤维阵列涂覆在阳极活性材料中并且其它微纤维阵列涂覆在阴极活性材料中。
在各实施例中，微纤维可以由经历电化学掺杂(例如，P掺杂或者N掺杂)的导电或者导电聚合物制成，从而用作电解质电容器。在各实施例中，两种电极类型可以由能够进行P掺杂或者N掺杂的相同材料(例如，类型III)制成，从而用作电解质电容器。在各实施例中，可以将至少一部分由导电聚合物制成的微纤维形成的纱幕毡添加到电极中，以向该电极提供EDLC功能性。
如这里所使用的，术语“大致”、“大约”、“基本上”以及类似术语旨在具有与本公开的主题所涉及的领域的普通技术人员的普通和可接受使用相一致的宽泛含义。浏览本公开的本领域普通技术人员将理解，这些术语旨在允许对所描述和请求保护的某些特征进行描述，而并非将这些特征的范围限制到所提供的精确数字范围。因此，应该将这些术语解释为表明考虑将所描述和请求保护的主题的非实质或者不必要的修改或者变化落入在所附权利要求中引述的本发明的范围内。
出于本公开的目的，术语“耦合”表示两个部件直接或者间接地彼此接合。这种接合可以在本质上是静止的或者可移动的。这种接合可以利用两个部件，或者两个部件和彼此一体形成为单个整体的任何附加的中间部件，或者两个部件和彼此附接的任何附加的中间部件实现。这种接合可以在本质上是永远的，或者在本质上是可去除或者可释放的。术语“耦合”包括在允许电流在这些部件之间流动的两个部件之间生成连接。
同样重要的是应该注意，如在各示例性实施例中所示的，电能量存储设备的构造和设置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但是本领域的普通技术人员将容易意识到，在不实质上偏离这里描述的主题的新颖性教导和优点的情况下，许多修改都是可能的(例如，尺寸变化、尺度、结构、各种元件的形状和比例、参数值、安装构造、材料的使用、颜色、取向等等)。例如，表示为一体形成的元件可以由多个部件或者元件构成，可以反向或者以其它方式改变元件的位置，并且可以修改或者改变离散元件的本质和数量或者位置。根据可选实施例可以改变或者重新排序任意工艺或者方法步骤的顺序或者序列。在不偏离本发明的范围的情况下，可以对各示例性实施例的设计、操作条件和构造进行其它替代、修改、改变和省略。

Claims (10)

1.一种能量存储设备，包括：
正电极，所述正电极具有板栅；
负电极，所述负电极具有板栅；以及
隔板，所述隔板将所述正电极与所述负电极分隔开；
其中，至少所述负电极或所述正电极包括从第一组和第二组中选择的纤维，所述第一组由三叶型截面的纤维、四叶型截面的纤维和圆形截面的纤维构成，所述第二组由非直的纤维构成，所述非直的纤维具有从盘绕纤维、环路纤维和喷气交缠纤维构成的组中选择的形状；所述纤维设置成加载有包含在至少所述正电极或所述负电极中的电极活性材料的毛细纤维的阵列；其中所述毛细纤维由从较短纤维片的第一组和较长纤维的第二组中选择的纤维的混合物构成，或者所述毛细纤维由仅从所述较短纤维片的第一组中选择的纤维构成。
2.如权利要求1所述的能量存储设备，其中所述毛细纤维有助于将电解液汲入到至少所述正电极或所述负电极中。
3.如权利要求1所述的能量存储设备，其中所述纤维还包括卷曲纤维。
4.如权利要求1所述的能量存储设备，其中所述负电极和所述正电极中的至少一个还包括微纤维。
5.如权利要求1所述的能量存储设备，其中碳添加剂被设置在所述纤维上。
6.如权利要求5所述的能量存储设备，其中所述碳添加剂包括石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维或者碳纳米管中的至少一种。
7.如权利要求5所述的能量存储设备，其中所述碳添加剂包括膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维或者碳纳米管中的至少一种。
8.如权利要求1所述的能量存储设备，其中所述纤维形成为毡，所述纤维为电导体，和/或在所述纤维上涂覆有电极活性材料。
9.如权利要求1所述的能量存储设备，其中所述纤维形成为毡，所述纤维是电绝缘体，和/或在所述纤维上涂覆有电极活性材料。
10.如权利要求1所述的能量存储设备，其中所述纤维由聚合物形成。
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