CN107248578A - 具有变化的耐腐蚀性的电池板栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池板栅。所述电池板栅包括板栅栅丝的图案。所述图案包括具有第一节段和第二节段的板栅栅丝,所述第一节段具有第一耐腐蚀性,所述第二节段具有比第一耐腐蚀性差的第二耐腐蚀性。在电池板栅的使用寿命期间,第二节段以快于第一节段的腐蚀速率的速率发生腐蚀,以便动态地释放其内应力并控制板栅增长。还公开了包括所述板栅的电池和形成所述板栅的方法。
Description
本申请是申请日为2012年10月31日、国际申请号为PCT/US2012/062698、国家申请号为201280064554.7、发明名称为“具有变化的耐腐蚀性的电池板栅”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年11月3日提交的系列号为61/555,276的美国临时专利申请(标题为ENHANCED POSITIVE BATTERY GRID)和2012年10月30日提交的系列号为13/663,872的美国非临时专利申请(标题为BATTERY GRID WITH VARIED CORROSION RESISTANCE)的优先权,上述申请的内容据此以全文引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及电池领域(例如,铅酸电池,包括用于车辆起动、照明和点火应用的电池;船用电池;商务电池;工业电池;供混合动力电动汽车、微混合动力汽车等使用的电池)。本发明更具体地涉及电池板栅和制作电池板栅的方法。
背景技术
二次电池或可再充电电池、蓄电池或蓄电器是一组的一个或多个电化学电池,其中的电化学反应是电学上可逆的。
已知的是,铅酸电池由浸入电解质溶液的铅板和二氧化铅隔离板构成。铅、二氧化铅和电解质引发化学反应,所述化学反应释放电子,使释放出的电子流过导体以产生电力。
铅酸电池通常具有很长的寿命或寿命周期,结果导致大数目的放电/充电循环。电池放电时,电解质的酸与所述板的材料发生反应,使其表面变成硫酸铅。电池充电时,化学反应逆转。也就是说,铅酸电池充电时,正电极活性材料从硫酸铅/氧化铅转化成二氧化铅。已知电池板栅(并且特别是正极电池板栅)在贯穿其寿命周期中随时间的推移而增长。
铅酸电池的一个众所周知的故障模式是通过正极板栅增长自然发生的。此外,电池的过度循环、温度过高和过度充电可加快正极板栅腐蚀的速率,并因此加快板栅增长的速率。
传统的电池板栅制造往往需要特别注意避免电池板栅栅丝结构的显著破坏。据Prengaman报告(Pb-80Seventh International Lead Conference,Madrid,LeadDevelopment Association,London,1983,p.34),老化后使铅合金材料变形大大降低了后续的机械性能和晶粒结构以及耐腐蚀性。腐蚀仍然是铅酸电池最常见的故障模式之一。因此传统上来说,形成电池板栅要避免过度腐蚀和/或氧化。
许多电池制造商通过这样的方式来抵消板栅增长,即将电池盒设计成具有间隙的区域以允许板栅在电池寿命过程期间增长。其它电池制造业试图通过为其特定的板栅制造工艺努力开发耐腐蚀的铅合金来弱化腐蚀的影响。另一种可供选择的方案是向板栅中加铅以减少板栅增长。然而,上述方案缺点在于材料和成本的增加。
基于制造上的限制条件和/或为确保将湿糊剂保持在板栅结构内,传统的板栅设计往往限制板栅中开口的尺寸。另外,在许多应用中,由于车辆制造商所允许的电池空间有限,较大的电池尺寸可能是不可取的或不可能的。此外,虽然使现有电池盒内单独的板较小的话可以为板栅膨胀提供所需的空间,但这种方式可能会使容量和高倍率性能受损。因此,在传统的铅酸电池中,在容器内提供更多的空间以适应板栅增长的灵活性是有限的。
发明内容
因此,提供了一种具有板栅栅丝的图案的电池板栅。所述图案包括具有第一节段和第二节段的板栅栅丝,所述第一节段具有第一耐腐蚀性,所述第二节段具有比第一耐腐蚀性差的第二耐腐蚀性。第二节段以快于第一节段的腐蚀速率的速率发生腐蚀,以便在电池板栅的使用寿命期间动态地释放其内应力。
提供了进一步的电池板栅,其包括板栅栅丝的图案。所述图案具有预先确定的第一腐蚀速率。图案中的板栅栅丝节段具有预先确定的第二腐蚀速率,其与第一腐蚀速率不同,以便在电池板栅的使用寿命期间动态地释放其内应力。
提供了进一步的电池板栅,其包括板栅栅丝的图案。所述图案包括具有一次变形和二次变形的板栅栅丝。二次变形具有比板栅栅丝的腐蚀速率快的腐蚀速率,以便在电池板栅的使用寿命期间动态地释放其内应力。
还提供了形成电池板栅的方法。所述方法包括形成具有板栅栅丝的图案的电池板栅。板栅栅丝的图案中的板栅栅丝的截面角部被改动。板栅栅丝的图案中的板栅栅丝节段也被改动,使得所述节段具有与图案中另一条板栅栅丝节段不同的耐腐蚀性,并且一条板栅栅丝节段将以快于板栅栅丝的图案中另一板栅栅丝节段的腐蚀速率的速率发生腐蚀。
本文根据实施方案的一个或多个实施例描述的板栅及方法使得有可能在电池和板栅的实际使用寿命期间在板栅中产生必要的额外空间以动态地释放内应力。所述方法的一个或多个实施例涉及以这样的方式来控制精细标定的板栅栅丝节段的微结构,使得可以将其选择性地腐蚀掉,使之无法传递应力,和/或减少导致电池故障的应力积累。
以下对实施方案的各种实施例的详细说明中描述了根据本发明的装置、系统和方法的这些及其它特征和优点,并且从中也可显而易见这些及其它特征和优点。
附图说明
将参考以下附图来详细地描述根据本发明的系统、装置和方法实施方案的各种实施例,其中:
图1是电池板栅的一个或多个实施例的立视图,显示了正极电池板栅。
图2是包括图1中所示的电池板栅的正极板的立视图,显示剖开了糊料以露出电池板栅。
图3A是负极板的透视图,显示剖开了糊料以露出负极电池板栅。
图3B是用于与电池板(如在实施方案的一个或多个实施例中,图3A中所示的负极板)一起使用的隔板的透视图。
图4是冲压电池板栅的板栅栅丝的剖开的截面视图,是自图1的线4-4截取的,显示了包括一次变形的板栅栅丝的一个或多个替代实施例。
图5是冲压电池板栅的板栅栅丝的剖开的截面视图,是自图1的线4-4截取的,显示了包括一次变形的板栅栅丝的一个或多个替代实施例。
图6是冲压电池板栅的板栅栅丝的剖开的截面视图,是自图1的线4-4截取的,显示了包括一次变形的板栅栅丝的一个或多个替代实施例。
图7是冲压电池板栅的板栅栅丝的剖开的截面视图,是自图1的线4-4截取的,显示了包括一次变形的板栅栅丝的一个或多个替代实施例。
图8是冲压电池板栅的板栅栅丝的剖开的截面视图,是自图1的线4-4截取的,显示了包括一次变形的板栅栅丝的一个或多个替代实施例。
图9是电池板栅的剖开的立视图,显示了板栅栅丝的图案中的板栅栅丝或板栅栅丝节段上的二次变形节段。
图10是包括图9中所示的二次变形节段(由图9中的线10-10标示)的板栅栅丝的透视图。
图11是图9中所示的电池板栅的剖开的立视图,显示了由图9中示出的二次变形节段的腐蚀所形成的板栅栅丝中的间隙。
图12是包括图11中所示的间隙(由图11中的线12-12标示)的板栅栅丝的透视图。
图13是电池板栅上的板栅栅丝图案中的板栅栅丝的剖开的透视图,显示了二次变形节段的一个或多个替代实施例。
图14是电池板栅上的板栅栅丝图案中的板栅栅丝的剖开的透视图,显示了二次变形节段的一个或多个替代实施例。
图15是电池板栅上的板栅栅丝图案中的板栅栅丝的剖开的透视图,显示了二次变形节段的一个或多个替代实施例。
图16是电池板栅上的板栅栅丝图案中的板栅栅丝的剖开的透视图,显示了二次变形节段的一个或多个替代实施例。
图17是电池板栅上的板栅栅丝图案中的板栅栅丝的剖开的透视图,显示了具有一定程度变形的二次变形节段的一个或多个替代实施例。
图18是电池板栅上的板栅栅丝图案中的板栅栅丝的剖开的透视图,显示了具有一定程度变形的二次变形节段的一个或多个替代实施例,所述一定程度的变形小于图17中所示的变形程度。
图19是电池板栅上的板栅栅丝图案中的板栅栅丝的剖开的透视图,显示了具有一定程度变形的二次变形节段的一个或多个替代实施例,所述一定程度的变形大于图17和18中所示的变形程度。
图20是供与图1中所示的电池板栅结合使用的电池的一个或多个实施例的分解透视图。
应当理解的是,附图不一定是按比例绘制的。在某些情况下,有些细节对于理解本发明来说是没有必要的,或者它们使得其它细节难以被察觉,这些细节可能已被略去。当然应该理解的是,本发明并不一定局限于本文中示出的具体实施方案。
具体实施方式
公开了用于电池(并且特别是可再充电电池,例如铅酸电池)的板栅或集电体。
如在下文更详细地阐述的那样,铅酸电池板栅制作的已知技术包括:间歇工艺,如书型模重力浇注;和连续工艺,如带材膨胀、带材冲压、连续浇注以及连续浇注接着进行轧制。由这些工艺制成的板栅具有特定工艺所特有的独特特征,并且在铅酸电池中的表现不同,特别是就粘糊工艺而言。应当理解的是,本文描述的装置、特征和工艺可采用由任何常规的板栅制造工艺或将来开发的板栅制造工艺形成的板栅,并且并不旨在将本发明限制于本文为例示目的而公开的特定板栅设计。
电池板栅102示于图1-3。在实施方案的一个或多个实施例中,板栅102是冲压板栅。如图1-2中所示,冲压板栅102是提供用于与正极板104联合使用的正极板栅。在所提供的具体实施例中,正极电池板栅是平板或平面板。
板栅102包括框架106。框架106具有顶部框架元件108、第一和第二侧部框架元件110,112和底部框架元件114。集流耳片116与顶部框架元件108成一体。耳片116可偏离顶部框架元件108的中心,或者是可以居中或位置更接近第一或第二侧部框架元件110,112。因此,电池板栅框架具有顶部、第一侧部、第二侧部和底部,其中顶部具有耳片。
顶部框架元件108还可包括扩展的导电部分118,其至少一部分正好在耳片116之下,以优化到耳片的电流传导。底部框架元件114可任选形成有一个或多个向下延伸的底脚(未显示),用于将板栅的其余部分与电池容器的底部隔开。
电池板栅102还包括板栅栅丝120。板栅栅丝120可设置在由按图案122布置的多条板栅栅丝形成的板栅网络中。板栅网络可包括接合到顶部框架元件108的一条或多条板栅栅丝120。板栅网络可包括接合到第一侧部框架元件110的一条或多条板栅栅丝120。板栅网络可包括接合到第二侧部框架元件112的一条或多条板栅栅丝120。板栅网络可包括接合到底部框架元件114的一条或多条板栅栅丝120。板栅网络还可以包括前述的组合,例如像接合到顶部框架元件108和底部框架元件114的一条或多条板栅栅丝120;接合到顶部框架元件108和侧部框架元件110或112的一条或多条板栅栅丝120;接合到底部框架元件114和侧部框架元件110或112的一条或多条板栅栅丝120;和/或接合到第一侧部框架元件110和第二侧部框架元件112的一条或多条板栅栅丝120;等等。
多条板栅栅丝120限定出包括在板栅网络中且在框架106内的开孔区124的图案122。换言之,多条板栅栅丝在各框架内互连以产生空隙。开孔区124有助于保持活性材料或糊剂126(参见图2)。如图示的实施例中所示,一条或多条板栅栅丝120可沿其长度从底部到顶部截面积增加,或具有锥形形状,以优化栅丝的载流能力,从而帮助将从板栅102上离耳片116最远距离处产生的越来越多的电流带走到最接近耳片的距离处。可预先确定侧部元件之间的栅丝的宽度和间距,使得跨越板栅102的宽度基本上有等电位点。
在图1中所示的实施例中,板栅栅丝120的图案122包括辐射状延伸的板栅栅丝128。特别地,多条辐射状延伸的板栅栅丝128自顶部框架元件108延伸。栅丝的图案自辐射点发出。辐射点位于框架的边界之外。多条辐射状延伸的板栅栅丝128中的一条或多条也可与底部框架元件114和/或侧部框架元件110或112或者两个侧部框架元件接合。在图示的实施例中,还将辐射状延伸的板栅栅丝中的一条130设置成平行于侧部框架元件110,112。其余的辐射状延伸的板栅栅丝128自半径线上的假想的交点(即,辐射点)辐射状延伸,所述半径线贯穿平行于侧部框架元件110,112安置的辐射状延伸的板栅栅丝130。在前述实施例中,当从接近底部框架元件114的位置移动到接近顶部框架元件108的位置时,辐射状延伸的板栅栅丝128变得更加靠拢,并且当自平行于侧部框架元件安置的辐射状延伸的板栅栅丝130朝第一侧部框架元件110或第二侧部框架元件112移动时,其还变得间隔更远。
在实施方案的一个或多个实施例中,板栅102还包括板栅交叉栅丝132。在图4所示的实施例中,交叉栅丝132(包括例如水平板栅栅丝)是间隔开的,并且可平行于顶部和/或底部框架元件108,114,尽管对于本文所提供的目的而言,其上的变化是可以接受的。例如,一条或多条交叉栅丝可以不等距分开或平行于顶部和/或底部框架元件,如在图中可以看到的那样。可以为各种不同的目的设置板栅交叉栅丝,其一个例子是为了在制造期间协助支撑板栅102和/或支撑电化学糊剂126和/或允许形成糊团。
辐射状延伸的板栅栅丝128和板栅交叉栅丝132的相交或接合发生在节点134处。多条这样的相交或连接的板栅栅丝128和板栅交叉栅丝132形成多个节点134。辐射状延伸的板栅栅丝128、板栅交叉栅丝132和节点134的组合在由框架106所携带的板栅栅丝网络中形成一个或多个开孔空间124。
虽然为示例的目的示出和描述了特定的板栅图案122,但其上的变化将不会偏离本发明的总体范围,如(但不限于)板栅栅丝厚度和取向。同样地,如前面所讨论的那样,把现在已知的或将来开发的其它类型的板栅当做本文描述的板栅是可以接受的,如(但不限于)蜂窝类型的板栅图案或者直线类型的板栅图案。
用于实现所提供的目的的任意合适的材料均可用作板栅材料,并且在实施方案的一个或多个实施例中,板栅材料由铅或铅合金形成。在实施方案的一个或多个实施例中,用于板栅材料的材料可对板栅102赋予均匀腐蚀的特性。其结果是,实现了对板栅102的所有材料的更有效的利用。例如,材料在电池的使用寿命期间可发生反应,以便随着时间的推移均匀地薄化板栅102(即,腐蚀)。合适铅的一个或多个例子可以是锻造铅或者例如是一种或多种高晶粒细化的合金。
参考图4-8,板栅栅丝120和/或节点134的截面可根据板栅制作工艺的情况而有所变化。在各种实施方案中,可以对板栅栅丝120和/或节点134进行再成形或再抛光或变形,形成一次变形的板栅栅丝。例如,板栅栅丝120和/或节点134的截面可具有任意的截面设计,包括基本上椭圆形状、基本上矩形形状、基本上菱形形状、基本上斜方形状、基本上六边形形状和/或基本上八边形形状。要理解的是,这些形状的术语被用来不严谨地标识一般的截面形状,并且由于例如制造工艺中的精确度水平原因,板栅栅丝或节点134的实际截面可与所说的形状有所不同。
可以使通过冲压工艺形成的截面边缘或角部136(示于图4的示例性实施例中)变形或向内凹进,或者以其它方式自图5-7中的初始外边缘136内凹。在实施方案的一个或多个实施例中,使冲压板栅102变形或再成形(例如,参考138),使得通过冲压工艺形成的硬边缘或角部136变“圆”或以其它方式变形。除了成形的截面边缘136外,还可以对板栅栅丝的表面进行平滑处理以减少或消除毛刺及其它表面缺陷。
在电池板栅102中,各板栅栅丝节段可具有不同的截面构形,或者各板栅栅丝节段可具有相同或类似的截面构形。根据需要,板栅102可仅在竖向栅丝或辐射状延伸的板栅栅丝处、仅在板栅交叉栅丝或横向栅丝元件处或在这两者处以及例如在节点134和任选一个或多个框架元件处包括这些一次变形138。板栅102的冲压或冲制(导致截面通常如图4中所示)也可以被认为是一次变形。
一般来说,如上文所述的板栅102的一次变形138是板栅材料或板栅的“较小”变形,因为其导致板栅材料的微结构变化很小。换言之,板栅栅丝120的变形量非常小。这些一次变形138在板栅102的表面中产生非常小的变动。使截面角部136“变圆”(即,减小锐度或角度)降低了开裂的可能性,并且也改善了糊剂粘附性。虽然对特定的实施例进行了描述,但应当理解的是,可以采用适于制造和产品耐久性以及合适的糊剂粘附特性的任意数目的板栅栅丝和/或节点形状。
在实施方案的各实施例中提供了包括板栅栅丝的电池板栅,所述板栅栅丝具有第一节段和第二节段,第一节段具有第一耐腐蚀性,第二节段具有比第一耐腐蚀性差的第二耐腐蚀性。第二节段以快于第一节段的腐蚀速率的速率发生腐蚀。在实施方案的一个或多个实施例中,第二节段是通过二次变形形成的。为此目的,板栅102设有二次变形140(参见图9-10)。二次变形140或不止一个的二次变形位于板栅栅丝上期望有上面提到的各种性质的区域。可以下文更详尽描述的各种形式提供的二次变形对板栅、板栅栅丝及相应的结构有多种影响。在实施方案的一个或多个实施例中,二次变形是板栅栅丝的选择性定位以便最小化板栅增长的节段。
与一次变形相比,二次变形140是铅材料的更显著的变形。与传统的板栅表面处理不同,本文描述的二次变形是对板栅材料的腐蚀性质的控制或改变。也就是说,选定栅丝上的二次变形140可减小板栅栅丝的机械强度以增大腐蚀的可能性,和/或降低板栅栅丝的耐腐蚀性。
更具体地,二次变形140包括对板栅栅丝进行改变或改动的量,该量比一次变形情况的要大,使得板栅102包括二次变形140的区域或节段将比板栅102不包括二次变形140的区域或节段更快地发生腐蚀,即具有不同的耐腐蚀性。换言之,板栅栅丝120的具有或形成二次变形140的板栅节段、区域或片段将具有较差的耐腐蚀性,并且因此首先或者先于不包括或不是二次变形的那些节段以及具有较少二次变形或包括较大耐腐蚀性的那些节段腐蚀掉。在实施方案的一个进一步的实施例中,板栅栅丝的节段可以是或兼有一次变形和二次变形。
改变耐腐蚀性的一个或多个节段(如二次变形140)可用于内在地补偿板栅增长。二次变形140改变了板栅栅丝的一个或多个节段的耐腐蚀性和腐蚀速率。更具体地,板栅102的具有二次变形140的选定片段或区域具有加速的腐蚀。降低的耐腐蚀性和加速的腐蚀最终在电池的使用期间导致板栅栅丝中的间隙142(图11-12),在框架106内的板栅图案122中产生开口。板栅栅丝的选定节段(例如,具有第一和第二节段的板栅栅丝的第二节段)的加速消失在板栅图案中留出了用以使板栅栅丝的其余部分增长和/或释放遍及板栅102的应力的开口。如此,通过耐腐蚀性的选择性降低和板栅102(并且特别是板栅栅丝120)的一个或多个选定节段的加速腐蚀,板栅102通过腐蚀动态地产生必要的额外空间以在电池(及板栅)的实际使用期间以及一些情况下在这种使用的早期当中动态地释放板栅中的内应力。随着内应力的动态缓解,导致意外短路的板栅增长得以减少或消除,并且电池故障的可预测性得到提高。
改变了耐腐蚀性的区域或节段或二次变形140可采取多种形式中的一种或多种或组合形式。例如,包括板栅栅丝的电池板栅可具有第一微结构和具有与第一微结构不同的第二微结构的节段。
板栅栅丝微结构通常由结晶结构形成,其中各晶体中的金属原子有序地组织成晶格系统。板栅栅丝材料的微结构影响物理性质,如强度、韧性、延展性、硬度、耐腐蚀性、高/低温特性、耐磨损性等。在实施方案的一个或多个实施例中,可通过选定栅丝上的二次变形140来实现适当的微结构控制。板栅栅丝节段的二次变形140可包括晶粒结构的变化、再结晶和/或材料强度及耐腐蚀性的变化中的一种或多种或组合。如此,具有二次变形140的板栅栅丝节段具有与无二次变形的板栅栅丝不同的微结构(例如,形状和金属的显微组分的排列)。在实施方案的一个或多个特定实施例中,电池板栅可包括这样的板栅栅丝,其中一个或多个第一节段具有表示第一耐腐蚀性的第一微结构,并且一个或多个第二节段具有表示第二耐腐蚀性的第二微结构。第一微结构可由第一结晶结构形成,其中各晶体中的金属原子有序地组织成晶格系统。第二微结构是选自以下的第二结晶结构:晶粒结构的变化、第一结晶结构的再结晶、材料强度的变化和/或上述的组合。
在上述实施方案的一个实施例中,具有一次变形138的板栅栅丝具有这样的微结构,其具有第一晶粒密度和/或晶粒方向和/或晶粒尺寸和第一耐腐蚀性,而具有二次变形140的板栅栅丝或板栅栅丝节段具有不同的微结构,这种微结构具有第二晶粒密度和/或晶粒方向和/或晶粒尺寸和第二耐腐蚀性。二次变形140的微结构包括上述性质中的一种或多种,其浓度或程度可使二次变形节段的腐蚀速率增加到超过具有一次变形138的板栅栅丝的腐蚀速率。按这种方式,所述微结构可使节段更容易受到腐蚀。
可以通过任何目前已知的或未来开发的方法对板栅102赋予微结构控制和板栅102和/或板栅栅丝中的微结构差异。例如,可通过板栅栅丝中的物理变化来赋予微结构变化,包括比如板栅栅丝形状的改变,如图10和13-16中所示。在一个实施例中,二次变形可以是板栅栅丝的形状变化和微结构的改动两者,用以增加腐蚀。可以通过板栅栅丝的物理改动或板栅栅丝的差异、板栅栅丝材料的再结晶和/或板栅栅丝材料的热处理来形成具有第二微结构的节段。如下文更详细讨论的那样,物理改动可包括板栅材料的形状、尺寸、厚度、密度、体积或量的改变等等,其中的每一种可对板栅栅丝节段赋予不同的性质。
在实施方案的一个或多个替代实施例中,第二节段或二次变形节段相对于板栅的其余部分可以是易断的。特别地,当经受电池内的环境条件时,第二节段可以是易断的。电池中的环境条件的例子包括:电池板栅的腐蚀性;因电池板栅在电池壳体内增长产生的内应力;等等。第二节段可由于耐腐蚀性较差而相对于板栅的其余部分易断。在实施方案的一个或多个替代实施例中,第二节段由于物理性质的差异而相对于板栅的其余部分易断,即,第一节段和第二节段具有物理性质的差异,这种物理性质的差异产生耐腐蚀性的差异。物理性质的差异可以是以下中的任何一种或其组合:微结构的差异;厚度的差异;形状的差异;密度的差异;热处理的差异;等等。
一般来说,板栅102可设有具有预先选定形状的二次变形140。可以为达到所需的效果(即,耐腐蚀性、腐蚀速率和腐蚀区域的尺寸)而选择性地将各二次变形140成形和/或设定其尺寸。可以控制变形的形状和变形段的长度两者。通过改变板栅栅丝的形状可相应地提高或降低耐腐蚀性或腐蚀速率。更具体地,在实施方案的一个或多个实施例中,提供没变形或包括一次变形138的板栅栅丝或板栅栅丝节段120,其包括具有第一形状、宽度、尺寸和密度的第一截面。板栅栅丝还可包括具有二次变形140的板栅栅丝节段。二次变形140设置在具有一次变形138的板栅栅丝上,和/或可以设置在一次变形138诸板栅栅丝节段或诸区域之间。在示出的实施例中,示出的二次变形节段140具有与一次变形138板栅栅丝节段不同的形状和截面宽度。可以看到在图10中,在此示出的实施例中的二次变形140是以近似扁平的矩形形状形成的。与具有一次变形138或没有变形的板栅栅丝相比,二次变形140具有较窄的截面和较大的侧向宽度。二次变形节段140可处于与板栅栅丝的外表面平行并且例如在板栅栅丝的外表面之间的平面中。任选地,二次变形140可以与板栅栅丝的外表面间隔开,例如自外表面内凹或者可制成非平面的。
具有二次变形特征的替代形状和尺寸也是可以接受的。可采用各种物理及非物理工艺来产生二次变形,并由此产生所得到的成形二次变形节段140,比如采用金属扭曲、齿轮轧制、锯齿状压制及其它合适的工艺,其例子示于图10和图13-16中。如图13-16中所示,示出的二次变形140具有与图10中所示的二次变形相比不同的(例如,更重度的)物理二次变形,如近似的波状表面(图13)或近似的锯齿状表面,例如包括近似尖锐的峰和谷(图14)。图13和14示出的实施例中的二次变形节段140在两侧远离板栅平面。图15示出了具有由谷状凹陷分开的一个或多个圆峰的二次变形节段140。图16示出了包括扭曲或以其它方式为非均匀节段的二次变形的二次变形节段140。
二次变形也可以位于板栅栅丝的一侧或一面,或不止一侧。在一个实施例中,二次变形位于板栅栅丝的相反面。在实施方案的一个进一步的实施例中,二次变形可以是板栅栅丝的被推离平面板栅的平面的节段。
二次变形节段140也可以是包括比板栅栅丝或一次变形的板栅栅丝少的板栅材料的板栅栅丝节段120,从而使该节段以快于板栅栅丝的腐蚀速率的速率发生腐蚀。包括较少板栅材料的节段140可以通过从板栅材料中去除材料而形成,或者例如可以是板栅材料的穿孔节段。同样,包括较少板栅材料的节段可以是其中板栅材料密度较小或与形成板栅栅丝120的板栅材料相比密度不同的节段。
二次变形节段140可以是经热处理的板栅栅丝的节段。例如,一段板栅栅丝可以是或者包括已经被熔化并再固化的层,如表面层。热处理可以为选定的板栅栅丝改变微结构。
除了选定的变形的形状外,二次变形节段140可设有特定程度的变形,例如板栅栅丝120的较多或较少的变形,或者较多或较少的微结构变化。一般来说,关于物理变形,变形的物理形状和从初始板栅栅丝形式中移除的板栅材料(即铅)的量提供变形的程度。作为示例性的例子,可以将一条板栅栅丝或板栅栅丝节段形成为与同一板栅上的板栅栅丝的另一节段相比具有较大的厚度,或者在替代方案中具有较小的变形百分比。此外,可以在同一板栅102上设置具有不同厚度、深度或变形程度的多个二次变形140。
图17-19示出了具有不同变形程度的二次变形节段140的实施方案的一个或多个实施例。比较图17、18和19,在此实施例中可以看到,二次变形的特征在于二次变形节段140和初始板栅栅丝120上的一次变形138节段的物理差异。各二次变形节段140在程度上彼此不同,为举例的目的在图中以厚度变化简单地示出。例如,图17中的二次变形节段140已变形的程度或范围(由线A-A标示)比图18中的二次变形节段140的情况(由线B-B标示)大,但程度或范围比图19中的二次变形节段140的情况(由线C-C标示)小。同样,图19中的二次变形节段140(线C-C)变形的程度或范围比图18中的二次变形节段140的情况(线B-B)大。
因此,可对二次变形节段140(如图17-19中示出的)提供厚度范围。在实施方案的一个或多个实施例中,二次变形节段140可与初始板栅栅丝或一次变形138相差大于零(0)的值-零是与初始板栅栅丝或与一次变形138相比没有变形。更具体地,基于最初的板栅厚度,与一次变形138或初始板栅栅丝厚度相比,二次变形节段140可具有一定范围的变形或厚度差异。
类似地,不管二次变形的类型如何,二次变形140可具有大于零(0)的变形程度。例如,任何大于大约3-5%的二次变形量可提供所需的性质,如板栅栅丝的微结构和/或机械性能的改变,并且对所施加的变形没有上限,100%变形程度为完全切下板栅栅丝。更优选地,二次变形140可具有以百分比表示为从3%到95%的变形程度或厚度变化范围(最终板栅栅丝厚度与最初板栅栅丝厚度之间),并且甚至更优选地,可具有从30%到80%的变形程度,变形的百分比(%)通常为与初始板栅栅丝或一次变形138相比变形的差异量。
如所示的那样,二次变形140的区域或节段或者含有二次变形的板栅栅丝的片段具有与一次变形板栅栅丝节段138相比不同的耐腐蚀性,在电池的正常使用寿命期间通常首先先于初始或一次变形板栅栅丝节段腐蚀掉。此外,变形的程度与耐腐蚀性并且因此与可能发生的腐蚀量有直接关系。也就是说,提高的腐蚀速率依赖于二次变形140的量。变形越大,选定栅丝招致腐蚀就越快。为此目的,板栅上可有不止一种不同程度的腐蚀。
如所讨论的那样,可以将二次变形140或预先确定或不同耐腐蚀性的区域选择性地定位在板栅102上和选定的板栅栅丝120上。可以将二次变形140设置在辐射状延伸的板栅栅丝428和/或交叉栅丝132上。可提供具有一个或不止一个二次变形节段140或不同耐腐蚀性的区域的板栅102。例如,可以在板栅上设置多个第二节段。二次变形或多个二次变形也可在板栅栅丝的一侧上,或者可以在板栅栅丝的不止一侧上。例如,二次变形可以在板栅栅丝的相反面上的完全相同位置或不同位置处。
虽然可取的是一些板栅栅丝120断裂或腐蚀,但可能不期望让某些板栅栅丝120断裂或腐蚀。在实施方案的一个或多个实施例中,二次变形可用于优化耐腐蚀性或二次变形的影响以实现板栅102的应力缓解。板栅102还可避免意外故障,同时保持均匀腐蚀铅的效率。
如此,可以将板栅102专门设计成内在地补偿板栅增长,通过选择性地定位一个或多个不同耐腐蚀性的区域或二次变形140以及在替代方案中通过板栅栅丝120中的耐腐蚀性程度或二次变形140来补偿这种增长,后者继而影响其中板栅栅丝将发生腐蚀的位置和时机,留出开口或间隙142,集中或允许板栅在该间隙142中增长或膨胀。例如,在图9-10中,板栅栅丝120上的二次变形节段140早于可包括一次变形138的其它板栅栅丝腐蚀掉。这一过程导致产生了图11和12中所示的板栅节段,图中示出间隙142代替了二次变形节段140。随着板栅栅丝120在电池自然使用寿命期间的增长,板栅栅丝120可增长到由间隙142产生的空间里。
本文描述的二次变形140的一个或多个实施例可用于控制板栅材料的腐蚀特性。虽然提供了具体的实施例,但在不偏离本发明总体范围的情况下可采用改变腐蚀特性的替代方法,如但不限于通过在电池中使用具有不同腐蚀特性的不同合金或者在板栅102的诸节段或诸部分中采用其它化学制剂或变化来改变腐蚀特性。
本文描述的板栅实施方案的各种实施例可用在电池中,并且特别是可再充电电池。为此目的,本文描述的电池可包括但不限于所述类型的具有框架的冲压正极电池板栅,所述框架具有顶部、第一侧部、第二侧部和底部,其中顶部具有耳片,并且进一步地,其中多条板栅栅丝形成在框架内图案,于其使用寿命期间选择性地腐蚀所述板栅栅丝以最小化板栅增长的手段。对采用本文描述的实施方案,其它板栅类型也是可以接受的。
可以为任意合适的目的使用或提供所述电池。一个或多个特定的例子包括车辆,如汽车、摩托车、公共汽车、休闲车、船、高尔夫球车等。
图20的分解视图中所示的电池150被构造成提供启动或操作车辆和/或各种车辆系统(例如,启动、照明和点火系统)所需的至少一部分电力。进一步地,应当理解的是,所述电池可用在不涉及车辆的多种应用中,并且所有此类应用旨在属于本公开的范围之内。
图20中所示的电池150可包括任意类型的二次电池(例如,可再充电电池)。根据实施方案的一个或多个实施例,电池150为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池的各种实施方案可以是密封的(例如,免维护)或不密封的(例如,湿式)。根据实施方案的一个或多个实施例,铅酸蓄电池150是不密封的铅酸电池,并且定期地需要添加电解质和/或水,以维持其任一者或两者的所需体积和/或浓度。在实施方案的一个或多个替代实施例中,电池可以是SLI型的。电池或者可以是吸收玻璃毡电池。虽然描述和示出了具体的实施例,但对于所提供的用途来说,任意合适的二次电池都是可接受的。
铅酸蓄电池150包括若干单元电池元件,它们被设置在容纳电解质(如硫酸水溶液)的容器或壳体152的分开的隔室中。为壳体152设置了盖166,并且在各种实施方案中,盖包括端接套管和填充管以允许将电解质添加至单元电池并允许检修。为防止电解质不期望地自填充管溢出并允许在电化学反应期间产生的气体排放,电池壳体或盖还可以包括一个或多个填充孔帽和/或通气帽组件。
本文为示例的目的提供的图示涉及汽车应用,其中在六个堆叠或板集合154的每个中使用8-20块板的套组,正极和负极均有,用于生产标准的汽车12伏电池。每个板块154可包括一个或多个正极板104和一个或多个负极板,它们各自具有耳片116。隔板材料156(参见图3B)设置在各正极板104与负极板之间。根据铅蓄电池150的容量将多个板块或集段或单元电池154串联连接。在其它应用中,在堆叠中可以使用6至31块板中的任意多少块。堆叠或集段或板集合154的数目也可以变化。本领域技术人员在阅读本说明书之后显而易见的是,任何特定堆叠中的板的尺寸和数目(包括单独板栅的尺寸和数目)以及用于构造电池的堆叠的数目可以有很大的不同,这取决于所需的最终用途。
可设置一个或多个正极和一个或多个负极端柱164。此类端柱164通常包括可延伸穿过盖166和/或壳体152的部分,这取决于电池设计的情况。端柱也可以延伸穿过端柱密封组件以有助于防止酸的泄漏。要意识到的是,多种端子布置方式是可行的,包括本领域中已知的顶部、侧部或角部配置。还可设置一个或多个浇注带162,其电耦接板集合中的耳片116和相应的板集合。
如所示的那样,电池150包括正极板104(图2)和负极板158(图3A)。每一块板104包括支承电化学活性材料的铅或铅合金板栅102。在示出的实施方案的实施例中,正极和负极板104是糊剂型电极。糊剂型电极包括本文描述的形成基板的板栅102和设置在基板上的电化学活性材料或“糊剂”126。板栅(包括如上文详细描述的正极板栅102以及负极板栅168)提供用来传导电流的正极与负极活性材料或糊剂126之间的电接触。
常规上是通过将活性材料或糊剂施加到诸如铅合金板栅102的导电载体上来制造用于铅酸电池的板104。板及板栅可根据其制造方法加以分类。例如,生产电池板的一种工艺包括在熔炉中熔化热铅的初始步骤,接下来的步骤是将熔化的铅合金送入带材浇注机。在带材膨胀工艺中,通常将浇注或锻造铅带材穿透,在带材平面上方或下方展开,并然后拉扯或膨胀以形成具有菱形图案的板栅。在各种实施方案中,在卷绕机上盘绕带材,并将铅合金带材卷储存供以后使用。在各种实施方案中,也可以将带材卷起。为形成电池板栅,在各种实施方案中,通过膨胀机供给带材,所述膨胀机将带材卷切割、扯裂并展开以形成板栅。
可采用其它已知的或以后开发的工艺生产本文描述的板栅102。例如,如上文所讨论的那样,可以通过浇注工艺(例如,通过将熔化的合金倾注到模具里)、冲压工艺或通过连续轧制来形成基板。在实施方案的一个或多个实施例中,可作为自动化电池板制作工艺(包括板栅冲压)的一部分生产电池板栅102。为此目的,将常规的铅或铅合金电池板栅材料熔化并连续浇注以形成板栅材料的连续带材,其板栅材料可设置或形成为卷。例如,在绕组上将板栅材料带材盘绕起来。
板栅材料可以是生带材。可以将连续带材卷起以改变板栅材料的厚度或晶粒结构。可使用一系列连续的辊以减小板栅带材厚度。然后(如但不限于)以渐进冲制操作对带材进行冲制以形成一系列互连的电池板栅,其具有由一个或多个框架元件构成的框架106,所述框架元件围绕形成图案122的板栅栅丝120的网络。在渐进冲制操作中,在板栅上发生一系列冲制步骤以移除板栅材料并形成完整的电池板栅,包括板栅栅丝、节点和其中的开口。
更具体地,所述方法包括用带材材料形成板栅材料的步骤,如通过冲压或冲制,以形成互连电池板栅102的带材。各互连电池板栅包括形成图案122的板栅网络,所述图案122以相对的顶部和底部框架元件108,114以及相对的第一和第二侧部框架元件110,112为界。板栅网络或图案122具有在板栅网络中限定多个开孔空间的多个间隔开的板栅栅丝元件。板栅材料的冲制或冲压导致板栅102中的金属板栅栅丝120和节点134大致为矩形或方形的截面。
在冲制或冲压工艺期间或之后,可以在第一或一次变形步骤中使板栅图案122或网络变形以改动或改变板栅栅丝的截面角部136的形状。更具体地,在板栅102的制造期间,可以对板栅栅丝120进行表面整修或再成形。在各种实施方案中,在板栅的冲压、浇注和/或连续轧制后使一条或多条板栅栅丝的至少一条部分变形、变钝、变斜或变圆。用以使板栅栅丝变形的合适装置包括但不限于模具、齿轮传动压机、机械压机、液压驱动压机及其它类似装置。在实施方案的一个或多个实施例中,可首先在冲压台中使板栅栅丝变形。特别地,在工件或模具中使电池板栅102或电池板栅的带材或所述板栅的连续带材经受精密冲压操作,其中板栅材料经受足够高的应力或力以诱导材料表面上的塑性流动,或者以其它方式使板栅框架元件塑性变形,减小表面晶粒尺寸,硬化表面,并允许变形或根据模具的形状再成形。如图5-8中所示,一次变形操作或步骤导致板栅102具有变形的截面角部和/或边缘136。
还可以在板栅102或板栅栅丝上并且特别是在板栅栅丝120的选定节段上进行二次变形步骤。在一个实施例中,二次变形步骤可在一次变形步骤之后发生。在替代方案中,二次变形步骤和一次变形步骤可同时发生。在实施方案的一个或多个特定实施例中,通过在最初冲压以形成板栅后进行冲压反复来形成二次变形。也就是例如在渐进冲制操作期间,其中操作的冲制步骤可以是对板栅栅丝赋予二次变形的过程。
二次变形步骤可以使板栅102的目标段或位置(并且具体来说,板栅栅丝的片段)更显著地变形以形成二次变形节段140。在所描述的实施例中,正极电池板栅板的板栅栅丝具有在一个或多个预先选定的位置处对板栅栅丝赋予的二次变形。在一个或多个实施例中,选择性地定位第二节段或二次变形节段以便最小化板栅增长。
在实施方案的一个或多个实施例中,二次变形方法或步骤采用赋予本文所描述的特征的任意合适的技术改变板栅102中选定的栅丝,用于板栅的选择性或受控蚀解或耐腐蚀性的选定变化。可采用任何已知的或将来开发的工艺或工艺组合来实施二次变形步骤。二次变形步骤可以发生在任意合适的装置中,如下文将进一步详细讨论的那样。
在一种情况下,可以通过机械装置来实现所需水平或耐腐蚀性,或者可以通过机械装置来进行二次变形步骤。因此,二次变形步骤可通过板栅栅丝节段的物理改动而发生。比如,可以通过作为板栅制造工艺的一部分采用合适的金属加工技术二次地使选定的栅丝变形来实现适当的微结构控制,这些金属加工技术包括用平模简单压制、精冲按压、冲压、压印、扭曲、压制、模锻模锻压、齿轮轧制、斜轧制、轧制锻压、头压等。同样,将板栅栅丝一直切割到完全切开板栅栅丝(例如,100%变形)并且包括完全切开板栅栅丝可以是二次变形的一种形式。因此,在实施方案的一个或多个实施例中,可使用压印模、包括硬化模冲头(例如,平整表面)、硬化冲裁模(例如,平整表面)和与冲裁模形状/尺寸类似的导板的精密冲切压制进行二次变形步骤。二次变形步骤包括通过使板栅栅丝的节段变形或以其它方式改变节段的微结构的工具施加压力。可使用所需的厚度减少百分比来计算为了二次地使板栅栅丝变形要施加的功的量。也可以对板栅栅丝或板栅栅丝节段施加反压力,虽然可以采用简单的压制工艺而无需反压力。根据此工艺所得到的变形栅丝显示出平整的表面,如图10中所示。
在物理工艺实施方案的一个或多个具体实施例中,冲制或冲压板栅材料的带材以在模具中形成板栅102。使具有由冲压或冲制工艺引起的第一程度的变形或一次变形138的冲压板栅在模具中经历二次变形步骤,其中板栅102的节段被按压,导致金属节段塑性变形,到达第二程度的变形或耐腐蚀性,形成二次变形节段140。
在实施方案的一个或多个替代实施例中,微冲压/压印可用于使选定的栅丝120变形。在这种情况下,冲头和/或模具上的表面可呈锯齿形以提供二次变形的替代形式(与导致平整表面的变形工艺相比),包括例如更重度的二次变形140。此外,可以改动所得到的变形栅丝,使得它们在两侧远离板栅平面,如图13-14中所示。也可以采用斜轧制/轧制锻压。这些工艺在选定的栅丝通过一对或一套不同形状的槽纹辊时减少截面面积并改变板栅栅丝节段的形状。图15显示由此二次变形工艺形成所得到的变形栅丝的形状的一个或多个实施例。重度塑性变形(SPD)也可用于在选定的栅丝上完成二次变形步骤。如上面所指出的那样,用以使单个选定的板栅栅丝120变形的其它物理工艺包括金属扭曲、齿轮轧制、锯齿状压制等。在图10、13-16中简要地指示和说明了所得到的二次变形节段140或变形栅丝及形状的例子。
除了先前描述的物理金属加工变形技术外,也可以实施二次变形步骤,并且通过板栅栅丝120的穿孔形成不同耐腐蚀性的区域。在实施方案的一个或多个实施例中,在选定栅丝上具有一个或多个穿孔区域的板栅102可用于改变选定栅丝的腐蚀速率。穿孔可有所不同,使得选定的节段或板栅栅丝120可具有不同的密度或穿孔的量。可通过任意合适的已知或将来开发的工艺实施板栅栅丝的穿孔。在实施方案的一个或多个替代实施例中,穿孔可包括在选定的板栅栅丝120中冲制小孔。孔直径和沿板栅栅丝120的孔的密度可有所不同,以便实现所需的腐蚀图案。也可以通过一个或多个模切工艺的操作来实施板栅栅丝的穿孔,在板栅栅丝中冲制出许多孔。虽然对穿孔进行了具体描述,但也可采用其它现在已知或将来开发的方法来从板栅栅丝中移除材料以形成二次变形节段。同样,可以形成在板栅的一个或多个关键位置具有较少板栅材料的板栅。
也可以采用热处理(如激光)在板栅栅丝或板栅栅丝节段以及此类节段的图案中施加或产生具有不同耐腐蚀性的区域或二次变形140。特别地,激光可对板栅102产生或引起热影响。也就是说,板栅102通过导致板栅栅丝节段的热量改变的热处理而发生变形,形成二次变形。在实施方案的一个或多个实施例中,可施加激光以使板栅的表面层熔化和再固化,例如通过选择性激光熔化。在此类技术中,高功率激光束(例如,镱光纤激光器)用于改变选定板栅栅丝的微结构。这种处理导致耐腐蚀性的提高或降低以及板栅栅丝再结晶的改变(例如,增加或减少)。虽然本文具体描述了各种实施例,但赋予热处理的其它方法以及对板栅栅丝提供不同耐腐蚀性区域或二次变形140的其它方法包括但不限于粒子轰击;CNC加工,如但不限于水射流;真空成形或逆压、高压空气;电弧;溅射泵;等等。
按前述情况,二次变形赋予电池板栅并且特别是板栅栅丝以形状的差异。在实施方案的替代实施例中,二次变形赋予厚度的差异;密度的差异;热处理的差异;穿孔;等等。
除了前述的二次变形工艺外,二次变形步骤的时机可有所变化,以实现所需的微结构变化或耐腐蚀性程度。可例如连续地、在于粘糊生产线中对板104粘糊剂前的任何时间、与板栅的冲制同时和/或在于冲制生产线中进行板栅冲制后完成板栅102中选定栅丝120的二次变形步骤。因此,在实施方案的一个或多个实施例中,可以使用板栅材料的“新制”带材。在替代方案中,二次变形步骤可在后来的工艺中在板栅材料的“老化”(以及在一些情况下硬化)带材上发生。比如,可以使板栅102在制造工艺的粘糊线上经历二次变形步骤,如通过在所述线上增加的适于产生二次变形的机器。在实施方案的一个或多个实施例中,将板栅材料选择性地老化,或者在板栅形成工艺中延迟二次变形步骤,以便适应选定或所需的微结构变化程度。在实施方案的一个进一步的实施例中,在最初冲压后的冲压反复中形成二次变形。
在一次和二次变形步骤之后,然后将活性材料或糊剂126施加到或以其它方式设置(例如,通过常规的涂胶纸粘贴糊剂)到板栅102上。可以连续地对具有包括二次变形140的选定栅丝的板栅102粘贴糊剂。在各种实施方案中,可以将一种或多种糊料或裱糊纸(未显示)设置在活性材料的一个或两个表面上。在各种实施方案中,可以在连续的工艺中设置糊料或纸。
可以将板栅102、活性材料和糊料或纸送至分割器,带材在这里被切成板104。因此,切出各板栅102以形成多个电池板栅。可以将切自带材的板104弄平或以其它方式进行改动以有助于使糊剂的任何不均匀区域变平滑。在各种实施方案中,板104通过(例如,在传送带上)烘箱以进行快速干燥,并且然后可进行堆叠以供后来使用。常规上,可以使用开放式气体火焰或烘箱进行快速干燥,例如板104于常规的鼓风干燥烘箱中在约260摄氏度(约500华氏度)下干燥10-15秒。干燥后,电池板104经受本领域技术人员熟知的化学处理。接下来通常将粘糊剂板104在升高的温度和湿度下固化若干小时以帮助氧化任何游离的铅以及以其它方式调节板104的晶体结构。
固化后,将板104组装成电池。可以将分组的个别电池板104并且因此将多个板栅或冲压板栅板组装、包封、交错或以其它方式与隔板材料156(参见图3-A-3B,显示了与负极板158关联的隔板材料156)分隔,并设置在一起以形成板集合154。正极电池板栅板与负极电池板栅板交替,并且与隔板交错以形成堆叠。堆叠安装在电池壳体内。例如,在一种常见的电池设计中,在电池150中的板每隔一个(例如,每个负极板158)插入到封套形式的电池隔板156里。封套充当封套中的板与其在电池板集合154中的相邻板之间的隔板。将板集合154组装在容器152中以帮助形成电池150。正极电池板栅板与负极电池板栅板交替并且与隔板交错以形成堆叠。堆叠安装在电池壳体内。
在组装期间,将电池板104的正极耳片116耦接在一起,并将电池板158的负极耳片160(图3A)耦接在一起。这通常是使用浇注带162完成的,所述浇注带162的形成方式是,取得组装的电池堆叠154,将其倒置,并将耳片浸入到设置在模具中的熔融铅里。为允许电流在整个电池中流动,将堆叠的浇注带162连接或耦接起来。此外,设置延伸穿过盖166或盒152的端电极164以允许与车辆的电系统或者需要或打算使用电池电力的其它系统电接触。
设置容纳电池单元的电池壳体152(包括盖166)。在实施方案的一个或多个实施例中,将电池壳体152浸在酸性电解质流体中,以便通过电池盖中的填充管孔用电解质流体填充电池壳体。在用电解质流体填充电池壳体后,将电池150从电解质流体中取出。可洗掉任何残留的电解质流体涂层、灰尘及其它杂物以制成供装运的电池。在洗涤电池壳体外表面之前,可塞住填充管孔以防止洗涤流体进入电池壳体。
继初次洗涤之后,通过接通电流将硫酸铅或碱式硫酸铅转化成二氧化铅(正极板)或铅(负极板)而以电化学方式形成电池150。这被称为“形成”过程。
在制成电极并放入电池中以后,对电池150充电。在其充电时,正电极活性材料从硫酸铅/氧化铅转化成二氧化铅。
实施例
以下实施例例示实施本发明的实施方案的一个或多个实施例,并且不意图限制本发明的范围。
实施例1
以下给出二次变形程度或耐腐蚀性及其影响的示例性实施例。
提供由锻造铅形成的裸(无涂层)冲压电池板栅。在冲压电池板栅上设置百分之五十(50%)的板栅栅丝二次变形。也就是说,板栅栅丝的变形使其由初始的冲压形状变化了百分之五十(50%)。变形是通过改变板栅栅丝的节段的形状和厚度的压力机完成的。百分之五十的二次变形对应于所得到的第一加速腐蚀速率或耐腐蚀性。要注意,腐蚀速率的加速是相对于不经历二次变形的板栅栅丝而言。还设置了百分之三十五(35%)的二次变形并根据相同的一般工艺来完成。百分之三十五的二次变形对应于所得到的第二耐腐蚀性或加速腐蚀速率,其快于不经历二次变形的板栅栅丝的腐蚀速率,但比百分之五十的二次变形的加速腐蚀速率慢。
测试和结果。进行电池板栅的初步腐蚀测试。将选定的板栅栅丝完全移除的第一板栅与对照板栅进行比较。对照板栅包括与通过相同工艺形成的第一板栅相同的板栅栅丝图案,但所有的板栅栅丝都保持不变。使第一板栅和对照板栅均经受引起板栅材料发生腐蚀的完全相同的条件。使包括大约百分之五十(50%)二次变形的第二板栅经受与对照板栅在相同的测试下相同的条件。使包括大约百分之三十五(35%)二次变形的第三板栅经受与对照板栅在相同的测试下相同的条件。使根据前述的电池板栅在75℃的温度下经受测试,并且电解质或酸比重为1.280。相对于Hg/Hg2S04参比电极施加1.35伏电压。
可以按至少两种方式计算变形百分比。对于板栅的直接压缩,其实际上可以是板栅栅丝节段的厚度的简单减小,可以用下式计算变形百分之:
式1:
也可使用在板栅上的真实应变表示变形或耐腐蚀性,在这种情况下可用对数形式表示变形,例如:
式2:ln(最初/最终)
表1显示裸板栅随时间推移的测试结果,其在板栅上具有不同程度的变形或耐腐蚀性。用上式1计算变形百分比。
表1
裸板栅腐蚀测试结果
在此过程期间观察到,其中与在图案中包括最初所有板栅栅丝的对照板栅相比,选定的栅丝被完全移除的板栅显示出增大的腐蚀速率。据发现与非变形的板栅栅丝相比,具有约50%的二次变形的栅丝的腐蚀速率近似加倍。
在相同的时间段期间,百分之三十五(35%)二次变形导致的板栅栅丝腐蚀量比百分之五十(50%)二次变形的板栅栅丝的腐蚀量小。这种相关性的一个例子示于表1。参考表1可以看到,二次变形的百分比也可有所变化,使得腐蚀的量或腐蚀速率的加速在零(0)(即,腐蚀速率没有加速)与最大变形之间变化,所述最大变形可以上达100%,此时板栅被完全切断。
如此,在上文中提到是因为板栅的冲压或板栅截面的较小变形产生的第一变形是非常小的,并且特别是在对表1中示出的规模几乎没有影响的区域。与没有二次变形的板栅相比,二次变形增加了板栅腐蚀。大于零(0)的二次变形作为二次变形被设计成对腐蚀有影响,并且特别是用以加速板栅栅丝的特定节段的腐蚀。二次变形量可从大于零变化到能提供所需腐蚀速率的程度或百分比。
实施例2
下面的实施例说明板栅的厚度与变形百分比或耐腐蚀性之间的假设性关系。变形百分比和耐腐蚀性的量取决于板栅的初始厚度。
在一个实施例中,使初始板栅栅丝厚度为0.050英寸的板栅经受板栅栅丝的50%变形,导致板栅栅丝的最终厚度为0.025英寸。使初始板栅栅丝厚度为0.075英寸的板栅经受板栅栅丝的50%变形,导致板栅栅丝的最终厚度为大约0.038英寸。同样,初始板栅栅丝厚度为0.050英寸的板栅经受板栅栅丝的30%变形提供的板栅栅丝的最终厚度为0.035英寸,或者经受板栅栅丝的80%变形提供的最终厚度为0.010英寸。初始板栅栅丝厚度为0.075英寸的板栅经受板栅栅丝的30%变形提供的最终厚度为0.052英寸,或者经受板栅栅丝的80%变形提供的最终厚度为0.015英寸。
实施例3
在实施方案的一个实施例中,一个或多个电池板栅板具有x个空隙。各空隙以连续长的板栅栅丝为界。在这个实施例中,正极板栅板在电池壳体内预期增长之后,空隙数小于x个。
从本文的描述中可以看出,可以独立地控制板栅102的各元件以及相关的工艺以获得所需的板栅特性。这些特性中的每一种特性都影响板栅102的特性,包括但不限于腐蚀速率。初始板栅材料带材厚度不依赖于其它特征或方面,并且可影响板栅栅丝的腐蚀。板栅栅丝变形的程度也是独立的,这在于其对板栅栅丝赋予腐蚀特性,但其也涉及初始板栅带材厚度。也独立地控制一次变形138的形状和二次变形140的形状,并对板栅102赋予不同的特性。形成板栅102和使板栅变形的方法也是板栅的独立受控要素,这些可影响板栅特性。
二次变形或不同或变化的耐腐蚀性的区域的一个结果是,其使电池由于不受控的板栅增长而出现故障的发生率最小化。其结果是,本文描述的二次变形特征及方法有助于延长电池使用寿命。
更具体地,在电池的使用期间,具有二次变形的选定栅丝的腐蚀显著地快于板栅上未变形或变形较小的栅丝。变形完成的越大,选定栅丝招致腐蚀越快。于是二次变形的栅丝节段的消失就产生了自由空间,其可容纳由未变形的栅丝腐蚀引起的板栅的增长,或者释放来自于因腐蚀引起的未变形栅丝增长的应力,或者兼有这两种作用。可在板栅内关键的或选定的位置处设置二次变形,以通过在使用寿命期间在预先确定的位置为板栅增长产生开口而关键性地缓解板栅的内应力。其结果是,减少或消除了与板栅增长相关的某些类型的故障模式,并且延长了板栅寿命和/或电池寿命。这也通过减少导致更换费用的意外故障而大大地降低了成本。
本文描述的实施方案的一个或多个实施例提供了各种附加的优点。与对传统的电池板栅的认识、开发和用途相反,本文公开和描述的电池包括这样的电池板栅,其关键性地利用了电池板栅腐蚀以缓解电池板栅上的应力,从而避免或减少了与板栅增长相关的问题。板栅设有一个或多个仔细选定的具有较快腐蚀速率的板栅栅丝节段,以减少和/或延缓板栅中的板栅增长。例如,二次变形可起到在电池的寿命期当中重新定向应力和改变板栅增长(例如,可以是由腐蚀引起的)的方向或控制板栅增长的方向的作用。选定栅丝上的二次变形的量是可控的。将二次变形设计成在电池的使用期间控制机械、增长和腐蚀特性。进一步地,不可能经济或有效地制造为在使用寿命期间缓解板栅应力而在板栅中关键性地布置开口的板栅,并且传统的板栅制造通常要求制造操作不触动板栅结构,以恰当地完成而不使电池板栅受损。
二次变形及相应方法的另一项优点是,可以用较少的铅材料形成板栅,降低电池的总成本,减轻电池总重量,并且在一些情况下缩小电池尺寸。进一步地,二次变形节段可用于任何轧制-冲制板栅。此外,用于完成板栅中的二次变形的二次变形步骤及装置是容易在生产线上安装的。
如本文所用,术语“近似”、“约”、“基本上”及类似的术语旨在具有与本公开内容的主题所属领域的普通技术人员所常见和接受的用法一致的广泛含义。阅读本公开内容的技术人员应当理解的是,这些术语旨在允许描述所述和要求保护的某些特征,而不将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此,这些术语应被解释为表示对所述和要求保护的主题进行的非实质性或不重要的改动或修改被视为属于所附权利要求中记载的本发明范围之内。
应当注意的是,在本说明书中提到的相对位置(例如,“顶部”和“底部”)仅用于标示附图中定向的各种元件。应当认识到,特定部件的取向可以有很大的不同,这取决于使用它们的应用的情况。
为了本公开内容的目的,术语“耦接”意指两个构件直接或间接地彼此连接。这种连接在性质上可以是静止的,或者在性质上可以是可移动的。可以实现这种连接,两个构件或两个构件及任何附加的中间构件彼此整体形成为单个的单一体,或者两个构件或两个构件及任何附加的中间构件彼此附接。这种连接在性质上可以是永久性的,或者在性质上可以是可拆卸或可剥除的。
同样重要的是要注意,示于实施方案的各种实施例中的系统、方法和装置的构造和布置仅是示例性的。虽然本公开内容中只对几个实施方案进行了详细描述,但阅读本公开内容的技术人员很容易意识到,许多改动是可能的(例如,大小、尺寸、结构、各种元件的形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等的变化),而且实质上不偏离所叙述主题的新颖教导和优点。例如,可以由多个部件构造显示为整体形成的元件,或者可以整体形成显示为多个部件的元件,可以颠倒或以其它方式改变接口的操作,可以改变系统的结构和/或构件或连接器或其它元件的长度或宽度,可以改变设置在元件之间的调节位置的性质或数目(例如,通过改变接合槽的数目或接合槽的尺寸或接合的类型)。可以改变任何工艺或方法步骤的次序或顺序,或者根据替代实施方案重新排列顺序。在实施方案的各种实施例的设计、操作条件和布置中可作出其它的替换、改动、更改和省略,而不偏离本发明的实质或范围。
虽然已结合上文概述的实施方案的实施例对本发明进行了描述,但至少本领域普通技术人员可显而易见各种替代方案、改动、变化、改进和/或实质上等效的方案,无论这些是已知的还是目前预见的或目前可预见的。因此,上文给出的本发明实施方案的实施例旨在为示例性而非限制性的。可以进行各种变化而不偏离本发明的实质或范围。因此,本发明旨在涵盖所有已知或早先开发的替代方案、改动、变化、改进和/或实质上等效的方案。
Claims (29)
1.一种电池板栅,包括具有第一耐腐蚀性的板栅栅丝,所述板栅栅丝具有变形节段,所述变形节段具有比所述第一耐腐蚀性差的第二耐腐蚀性,以使得所述变形节段以快于所述第一耐腐蚀性的腐蚀速率的速率发生腐蚀,所述变形节段在第一尺寸上比所述板栅栅丝的区域大并且所述变形节段在第二尺寸上比所述板栅栅丝的所述区域小,其中所述板栅栅丝的所述区域不包括所述变形节段。
2.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述板栅栅丝是形成图案的多条板栅栅丝之一。
3.根据权利要求2所述的电池板栅,其中在所述图案中预先选定的位置处有变形节段。
4.根据权利要求3所述的电池板栅,其中在所述变形节段中有不同的耐腐蚀性程度。
5.根据权利要求2所述的电池板栅,还包括具有顶部、第一侧部、第二侧部和底部的框架,其中所述顶部具有耳片。
6.根据权利要求2所述的电池板栅,其中板栅栅丝的所述图案自辐射点产生。
7.根据权利要求6所述的电池板栅,其中所述辐射点位于所述框架的边界之外。
8.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段与所述板栅栅丝的形状不同。
9.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段与所述板栅栅丝的厚度不同。
10.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段与所述板栅栅丝的密度不同。
11.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段包括热处理变形。
12.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段包括穿孔。
13.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段与所述板栅栅丝的微结构不同。
14.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段仅在所述板栅栅丝的一侧上。
15.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段在所述板栅栅丝的不止一侧上。
16.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段在所述电池板栅的使用寿命期间动态地释放所述电池板栅的内应力。
17.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述变形节段由于物理性质有差异而相对于所述板栅的其余部分易断。
18.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述板栅栅丝具有第一微结构并且所述变形节段具有第二微结构,其中所述第一微结构和所述第二微结构不同。
19.根据权利要求1所述的电池板栅,其中所述第一尺寸是横向宽度。
20.根据权利要求19所述的电池板栅,其中所述变形节段具有比不包括所述变形节段的所述板栅栅丝的所述区域窄的横截面。
21.一种电池,包括权利要求1所述的电池板栅。
22.一种铅酸电池,包括冲压的正极电池板栅,所述正极电池板栅具有带顶部、第一侧部、第二侧部和底部的框架,其中所述顶部具有耳片,并且进一步地,其中多条板栅栅丝形成在所述框架内的具有第一耐腐蚀性的图案以及在所述图案中的预选位置处的具有第二耐腐蚀性的变形节段,以使得所述变形节段以快于所述第一耐腐蚀性的腐蚀速率的速率发生腐蚀,其中所述变形节段在第一尺寸上比所述板栅栅丝的区域大并且所述变形节段在第二尺寸上比所述板栅栅丝的所述区域小,其中所述板栅栅丝的所述区域不包括所述变形节段。
23.根据权利要求22所述的电池,其中所述正极电池板栅是平板。
24.根据权利要求22所述的电池,其中所述变形节段是冲压的二次变形节段。
25.根据权利要求22所述的电池,其中所述板栅栅丝形成自辐射点产生的图案。
26.根据权利要求22所述的电池,其中预选位置的所述变形节段使板栅增长最小化。
27.根据权利要求26所述的电池,其中预选位置的所述变形节段在所述电池板栅的使用寿命期间动态地释放所述电池板栅的内应力。
28.根据权利要求22所述的电池,其中所述电池是SLI-型的。
29.根据权利要求22所述的电池,其中所述电池是吸收玻璃毡电池。
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