CN107834010B - 改进的铅酸电池隔板、电池、及相关方法 - Google Patents

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Abstract

根据至少选定的实施方案或方面，本发明涉及改进的独特和/或复合性能的铅酸电池隔板(如改进的淹没式铅酸电池隔板)、包括这种隔板的电池、生产方法和/或使用方法。本发明的优选电池隔板同时解决并优化多种隔板特性。据信本发明最先认识到需要同时解决多种隔板特性，最先选择特定的多种隔板特性组合，并且最先生产商业上可行的多特性电池隔板，特别是具有负侧横贯肋的这种隔板(图1)。

Description

改进的铅酸电池隔板、电池、及相关方法
该申请是分案申请，原申请的国际申请号是PCT/US2011/052719，国际申请日是2011年9月22日，进入中国国家阶段的日期是2013年5月21日；原中国申请号是201180055930.1；原申请的发明名称是《改进的铅酸电池隔板、电池、及相关方法》。
横向引用相关申请
本申请要求Whear等人于2010年9月22日提交的美国临时专利申请No.61/385,253和Whear等人于2011年9月9日提交的美国临时专利申请No.61/532,598的优先权及权益，上述各申请文件的内容据此以引用的方式全文并入本文。
技术领域
根据至少选定的实施方案或方面，本发明涉及新的或改进的电池隔板、包括这种隔板的电池和/或生产方法和/或使用方法。根据至少选定的实施方案或方面，本发明涉及改进的独特和/或复合性能的铅酸电池隔板(如改进的淹没式铅酸电池隔板)、包括这种隔板的电池、生产方法和/或使用方法。在目前隔板技术已经解决了不连续隔板中的一两个关键特性的情况下，本发明的优选电池隔板同时解决并优化多种隔板特性。据信本发明最先认识到需要同时解决多种隔板特性，最先选择特定的多种隔板特性组合，并且最先生产如下文所述的商业上可行的多特性电池隔板。
背景技术
了解不同电池隔板要求的不同功能以及提供满足所需功能的最佳指示的测定特性是有帮助的。首先，关于电池内部的功能，典型的铅酸电池隔板提供对置电极之间的电子绝缘。简而言之，隔板提供物理屏障，使得不允许电极发生物理接触，并且在电池寿命期间实现这种功能。
第二，隔板是多孔的，并且因而起到离子穿过其中传导的作用或允许离子穿过其中传导。电池行业已经开发了称作隔板电阻的测试。
其次，由于电池隔板暴露于高度氧化的环境，因此电池行业已经开发了用以测量隔板对这种攻击的阻力的测试，其被称为Perox 80测试。在这种Perox 80测试中，在不同的时间将隔板放置在氧化溶液中并测量残余力学特性。隔板可保持其初始强度或部分初始强度的时间越长，抗氧化性就越高，并且其在电池中的寿命就越长。
为了减少燃料消耗和尾气排放的产生，汽车制造商已经实施了不同程度的电动混合。一种形式的混合电动车辆(HEV)通常被称为"微HEV"或"微混合动力车"。在这种微HEV或概念中，汽车具有怠速停止/启动(ISS)功能和通常的再生制动。为了保持降低成本，许多汽车制造商正在考虑淹没式或增强淹没式铅酸电池(EFB)以满足与ISS功能有关的电气功能。由于与这种电池有关的功能往往不同于标准的汽车应用，如启动照明和点火(SLI)电池，因此这可导致ISS或微混合动力车电池隔板的不同功能或优选性能。
本领域中需要新的或改进的电池隔板、包括这种隔板的电池，和/或其生产方法，和/或其使用方法。
发明内容
根据至少选定的实施方案、实施例、目标或方面，本发明解决提供新的或改进的电池隔板、包括这种隔板的电池，和/或生产方法，和/或使用方法，和/或类似目标的需求。
根据至少选定的实施方案或方面，本发明涉及新改进的独特和/或复合性能的铅酸电池隔板(如改进的淹没式铅酸电池隔板)、包括这种隔板的电池、生产方法，和/或使用方法。
在目前隔板技术已经解决了不连续隔板中的一两个关键特性的情况下，本发明的优选电池隔板同时解决并优化多种隔板特性。据信本发明最先认识到需要同时解决多种隔板特性，最先选择特定的多种隔板特性组合，并且最先生产如下文所述的商业上可行的多特性电池隔板。
为了理解本发明，了解不同电池隔板要求的不同功能以及提供满足所需功能的最佳指示的测定性能是有帮助的。首先，关于电池内部的功能，典型的隔板提供对置电极之间的电子绝缘。第二，隔板起到离子穿过其中传导的作用或允许离子穿过其中传导，并且优选最小化与隔板有关的离子电阻。电池行业已经开发了称作隔板电阻的测试，并且现在优选的最佳隔板将具有最低值，以对整体电池性能提供最大的益处。
其次，由于电池隔板暴露于高度氧化的环境，因此电池行业已经开发了用以测量隔板对这种攻击的阻力的测试，其被称为Perox 80测试。在这种Perox 80测试中，在不同的时间将隔板放置在氧化溶液中并测量残余力学性能。隔板可保持其初始强度或部分初始强度的时间越长，抗氧化性就越高，并且其在电池中的寿命就越长。因此，具有较高抗氧化性的隔板是有价值且优选的。
隔板还可对电池内部的功能增加其它的益处，如最小化水量损失和排放低数量的有机化合物。大多数淹没式铅酸电池的构造方式使得在使用寿命期间消费者不能在以后补充水。然而，典型的汽车铅酸电池容纳在发动机隔室中，在该处的温度可能基本上高于环境条件，并且这可能会导致水从电池电解质中蒸发。此外，如果电池定期被过充电，则电解质的水可能会经由水解而分解。因此，优选的隔板可最小化整体电池的水量损失，所得到的益处是延长电池的寿命，否则电池也许会由于干涸而已经较早地失效。同样，有关电池的寿命，另一种失效模式是正极栅板腐蚀。为了避免促成正极栅板腐蚀，电池制造商期望隔板具有最低量可浸出的有机化合物。据推测有机化合物将发生氧化，并可产生醋酸盐化合物，所述醋酸盐化合物大大地提高铅部件(如栅板)的溶解度，并且甚至可导致早期失效。因此，优选的隔板将提供最低量可浸出的化合物。
在考虑电池内部的功能后，我们于是考虑电池外面的隔板的性能，如在电池装配过程期间提供优选的最佳速度和产率的性能。由于隔板用于分隔电极，所述电极往往可具有锋利的边缘、角或延伸的导线，因此已经意识到，隔板抵抗击穿的能力对于防止在装配期间有可能发生的短路来说是有价值的。为此目的，行业中已经修改了用于测量隔板的击穿阻力的标准测试。因此，优选的隔板将具有较高的击穿阻力。
还与装配有关的是隔板在高速包封设备上的加工能力，后者被用作装配过程的一部分。为了最小化隔板电阻和降低隔板部件的质量、体积和成本，自隔板的引入以来已大幅度地减少了隔板的基底或背幅片厚度。随着隔板基底厚度减小，在高速包封设备上加工的能力受损，并且通常需要降低包封速度，和或包封产率将下降。此外，由于隔板的弯曲刚度减小，这可能会在包封机设备上导致更多的问题。因此，优选的隔板将解决这些问题，并允许减少质量、体积、和/或成本，同时，保持高水平的弯曲刚度，以便在包封设备上以较高的产率和高速度成功地进行加工。
下表1至3列出与本发明的至少某些实施例或实施方案(被称为Daramic III)有关的各种特征(特性、性能、结构、组成、和/或值)。还提供了选定的优选范围、水平或值。虽然可能有目前可用的产品满足一两种特性，并且这一两种有限特性可落入所需的最佳范围内，但对于本发明至少选定的多种特性实施方案而言，只有本发明的隔板在优选的范围内同时满足所有特性。
表1
描述 单位 酸可浸出的总有机碳
Daramic III样品#1 ppm 39
Daramic III样品#2 ppm 41
Daramic III优选的所需水平(TOC)<75
Figure GDA0002991897140000021
表3
Figure GDA0002991897140000022
2009年10月20日提交的标题为《具有横贯肋的铅酸电池隔板及其相关方法》(LEADACID BATTERY SEPARATORS WITH CROSS RIBS AND RELATED METHODS)的美国专利申请No.61/253,096和2010年10月14日提交的标题为《具有横贯肋的电池隔板及其相关方法》(BATTERY SEPARATORS WITH CROSS RIBS AND RELATED METHODS)的待审美国专利申请No.12/904,371记载了带有各种构造的负侧横贯肋的隔板的完整描述和附图及方法，上述每个专利申请的内容据此以引用的方式全文并入本文。
附图说明
图1至33是相应的文字、图形、表格、插图、幻灯片或图像，并且完全成为本申请的一部分，本申请的所有显示及公开内容均依赖于此。例如，图5和26可显示在其一侧或一面上带有横向肋或横贯肋的优选隔板实施方案。
具体实施方式
根据至少某些实施方案，本发明涉及新改进或优化的淹没式铅酸电池隔板，其优化了下面在表4中列出的7项特征(特性、性能、结构等)中的至少3项特征，优选优化了下面列出的7项特征中的至少4项特征，更优选优化了下面列出的7项特征中的至少5项特征，还更优选优化了下面列出的7项特征中的至少6项特征，最优选优化了下面列出的7项特征中的所有7项特征。
根据至少选定的实施方案，本发明涉及新改进或优化的铅酸电池隔板，其优化了下面列出的7项特征(特性、性能、结构等)中的至少3项特征，优选优化了下面列出的7项特征中的至少4项特征，更优选优化了下面列出的7项特征中的至少5项特征，还更优选优化了下面列出的7项特征中的至少6项特征，最优选优化了下面列出的7项特征中的所有7项特征。
根据至少又一实施方案，本发明涉及具有负侧横贯肋的铅酸电池隔板，其优化了下面列出的7项特征(特性、性能、结构等)中的至少2项特征，优选优化了下面列出的7项特征中的至少3项特征，更优选优化了下面列出的7项特征中的至少4项特征，又更优选优化了下面列出的7项特征中的至少5项特征，还更优选优化了下面列出的7项特征中的至少6项特征，最优选优化了下面列出的7项特征中的所有7项特征。
表4
Figure GDA0002991897140000031
为了保持甚至改进隔板的运行性能，我们建议在隔板面向负电极的一侧上用紧密间隔的横向肋来提高隔板的弯曲刚度。(参见图5和26)在商业包封机上用包括负侧横贯肋的Daramic
Figure GDA0002991897140000032
隔板进行的多种测试已表明，与带有标准平坦表面的隔板相比时，加工产率有相当大的提高。提高弯曲刚度导致包封机加工得到改进，并且现在我们考虑基幅片或背幅片(BW)厚度较薄的隔板，如此我们预期可进一步将隔板电阻减少多达25％或更多。
通过减小隔板厚度，我们看到了对电池性能有两方面的益处。开始时，隔板电阻降低25％；其结果是电池的功率输出和充电接受能力得到提高。其次，隔板占据的体积较少，电极之间将有更多的酸。由于许多电池设计成贫电解质，因此，就电池的储电容量而言，用酸代替隔板质量只会产生益处。
降低隔板电阻和增加电极之间的酸量还有其它考虑。现在，典型的PE隔板具有60％的孔隙度，或者按另一种方式来说，隔板体积的40％被隔板质量占据。如果我们将隔板的质量减少一半，比如到20％，电阻将按类似的比例减少，并得到80％的隔板孔隙度。为了证实我们的假设，我们已制出具有不同孔隙度的实验隔板并测量了所得到的电阻。
通过利用特殊类型的二氧化硅(如高表面积二氧化硅)，可将PE隔板制成具有非常高的孔隙度并导致电阻较低。通过将负侧横贯肋与薄BW厚度和非常高的孔隙度相结合，可以构造具有最终最低电阻的优选隔板。
我们认为还有另一种方法可降低隔板的功能电阻，从而使电池性能得到改进。我们特意使用术语“功能”电阻，我们这么做是要与隔板的“测定”电阻进行比较。现在常常用在单对儿电极化学电池上施加电压的装置量化隔板电阻。在电极之间有和没有隔板的情况下测量电阻，从而量化隔板的电阻。虽然这种方法对于预测隔板对电池性能影响方面是有价值的，但我们认为缺少了重要的要素，即气体截留。(参见图8)
在构造或充电事件期间，一旦电极被充电，则在正电极和负电极处分别产生氧和氢。随着电解质快速地被这些气体饱和，泡沫就产生了。随着这些泡沫在电解质中形成，它们将会合并，并最后上升到电解质的表面，类似于在新开啤酒杯中的二氧化碳。然而，疏散气体的过程相对缓慢，并且对电池性能的影响很大。如同啤酒杯的情况一样，这些微小的气泡附加于包括隔板表面在内的各种表面上。在气泡附着之处缺少电解质，并且这些区域成为高电阻区。因此，可将隔板的“功能”电阻描述为测定电阻，并且考虑被这些气泡遮挡的表面积的比例。
为测量被截留的气体，制备带有标准隔板和改进隔板的电池。(参见图9)在构造和过充电后，对每个电池记录电解质水平，抽真空疏散气体；液面之差就是我们所定义的被截留的气体。为建立基线，在没有隔板的情况下测试电池；改为使用玻璃棒保持电极间隔。从这项工作中我们可以得到有关与电极相关的气体截留量的信息。正如你可以从下表5(或图10)中所看到的那样，当与没有隔板的电池相比时，增加标准隔板使截留的气体量增加了一倍以上。采用改进的隔板，即带有负侧横贯肋的
Figure GDA0002991897140000041
我们可以将与标准隔板相关的气体截留减少大约50％。
表5
Figure GDA0002991897140000042
此前，我们建议了通过增加负侧横贯肋来降低隔板电阻以提高包封机运行性能的方法，该方法使得能够加工背幅片厚度比目前现有的薄的隔板材料。最初人们可能会担心负侧横贯肋实际上会增加气体截留。重要的是这里要注意，负侧横贯肋是Daramic
Figure GDA0002991897140000043
隔板包括的变化之一，而Daramic
Figure GDA0002991897140000044
隔板比标准隔板截留的气体少。我们已经推理，负侧横贯肋图案可充当介质，用于将较小的气泡合并成较大的气泡，从而使浮力变得大于表面粘附力，并允许气体逸出比使用标准隔板时更快。
到目前为止，我们已经示范了当与标准隔板相比时，通过两种独立的作用将电阻降低25％到50％的方法。通过我们的测试，我们还发现了将截留在隔板表面上的气体量减少40％以上的方法，该方法应产生功能隔板电阻的同等减少。通过将所有这些变化结合在一起，人们预期可以看到功能电阻减少到典型隔板值的25％至50％。这可以在微混合动力电池、ISS电池等中提供功率输出和充电接受能力的改进。
早些时候，我们提出微混合动力电池是高动力汽车电池与高能深度循环电池之间的交叉。因此，让我们来花几分钟的时间考虑改进应用中所需的深度循环方面。当铅酸电池频繁或深度循环时，正极活性材料将脱落，负极活性材料将硫酸盐化，负极耳会变薄，酸有可能分层，特别是，当在部分充电状态下运行时，并且最后可能会通过隔板产生水化短路。许多设计方案正在探索解决这些情况，但让我们回顾一下与隔板相关的那些方案。如果我们能将活性材料在适当的位置保持较长的时间，那么我们就能延长电池的功能寿命。为防止活性材料的脱落，有两种选择方案：首先，可以增加隔板上的肋的数目，从而提供更多的接触点，用于将正极活性材料保持在适当的位置上；其次，对隔板增加层合体，如玻璃垫。
层合体提供正侧支撑以防止正极活性材料的脱落。然而必须仔细地选择这些层合体，以便不增加气体截留，而气体截留的增加将增加功能电阻，并降低电池的功率输出和充电接受能力。利用先前描述的方法，我们在带有各种层合体的隔板上进行了气体截留测试。从实验室的工作中，我们首先确定了与板和隔板相关的截留气体的量，从而使得我们可以看到各种层合体的影响。从测试中我们可以看到各种层合体之间有关气体截留水平的差异极大。因此，为保持良好的充电接受能力和功率输出，同时保持良好的保护措施防止正极活性材料的脱落，我们认为有必要选择正确的层合体。
循环与良好的电性能之间有另一个协同点。在我们早期的工作中，我们确定了用以增加电极之间的电解质的方法。这是通过降低隔板背幅片厚度、增加隔板孔隙度、和减少隔板上的截留气体量实现的。一般来说，我们相信这些步骤也将会防止水化短路、酸分层的发生和负电极的硫酸盐化。因此我们相信板之间更多的酸将提高充电接受能力、功率输出并延长在微混合动力应用中使用的电池的功能寿命。
为此，我们提出了将带来电池改进的隔板概念。为了提高电池的功率输出和充电接受能力，用以降低隔板电阻的方法包括1)用
Figure GDA0002991897140000051
隔板实施负侧横贯肋，允许包封薄隔板，和2)用以充分地提高隔板的孔隙度和大幅度减小电阻的方法。上述的改进也将有助于增加板之间可用的酸，因此当电解质有限时增加电池的电容量。为了也增加板之间的酸量，我们提出了促进气体合并和疏散的方法，其将导致更好的电性能。
为了扩展铅酸电池的功能性能，特别是在深度循环应用中，我们提出了增加肋的数目以对很可能会在重度循环期间脱落的正极活性材料提供更多的接触点。一种防止活性材料脱落的方法是对隔板增加层合体。然而应仔细地选择这种层合体以最小化截留气体的量，并因此产生电池的最大功率输出和充电接受能力。关于通过最大程度地减少酸分层的发生或防止通过隔板的水化短路来延长循环寿命，下面有更多的描述。
我们相信为微混合动力应用开发的这些新概念可直接应用于现有的产品，服务于当前的市场需求。例如，对于希望进一步提高工厂效率的电池制造商来说，改进的包封机运行性能将深得益处。对致力于使现有电池上等级的电池制造商来说，能减少气体截留量并因此得到改进的功率及电功能的隔板改进是有益的。
本发明可很好地适合于微孔材料(例如，小于1微米的孔)，但其也适用于其它多孔及大孔(例如，大于1微米的孔)材料，包括由橡胶、PVC、合成木浆(SWP)、玻璃纤维、纤维素纤维、聚丙烯及其组合制成的隔板。
根据至少选定的实施方案或方面，本发明涉及新改进的独特和/或复合性能的铅酸电池隔板(如改进的淹没式铅酸电池隔板)、包括这种隔板的电池、生产方法和/或使用方法。本发明的优选电池隔板同时解决并优化多种隔板特性。据信本发明最先认识到需要同时解决多种隔板特性，最先选择特定的多种隔板特性组合，并且最先生产商业上可行的多特性电池隔板，特别是具有负侧横贯肋的这种隔板。
此外，我们最先开发了可用于若干不同类型电池(例如，淹没式铅酸电池、深度循环铅酸电池、工业铅酸电池等)的多功能电池隔板。这可使至少某些电池制造商更容易采购正确的隔板。
本发明并不限于淹没式铅酸电池的隔板，如聚烯烃隔板，优选填充的聚乙烯隔板，而且也适用于电容器、蓄电池、凝胶电池、聚合物电池、电池/电容器组合、电化学电池的隔板、多孔薄膜、多孔膜、多孔层合体、涂布薄膜、及其组合。
一种示例的铅酸电池(例如，淹没式铅酸SLI电池)包括负极板(电极)和正极板(电极)，隔板夹在它们之间。这些部件封装在容器内，所述容器还包括接线柱、通气口和通气口联排塞(gang-vent plug)。根据优选的实施方案，隔板在面向负极板的表面上具有横向肋，并且在面向正极板的表面上具有纵向肋(参见，例如图5和26)。虽然图31中所示为特定的电池，但本发明的隔板可用在许多不同类型的电池或装置中，包括例如但不限于密封铅酸电池、淹没式铅酸电池、ISS铅酸电池、组合的电池及电容器单元、其它电池类型、电容器、蓄电池、和/或类似物。
图5和/或26的可能优选的隔板实施方案优选为多孔聚合物薄膜(如具有小于约1微米的孔的微孔聚乙烯薄膜)。尽管如此，本发明的隔板也可以是由天然或合成材料制成的微孔或大孔薄膜(具有大于约1微米的孔)，所述天然或合成材料如聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、酚树脂、PVC、橡胶、合成木浆(SWP)、玻璃纤维、纤维素纤维或其组合，更优选为由热塑性聚合物制成的微孔薄膜。可能优选的微孔薄膜可具有约0.1微米(100纳米)的孔径和约60％的孔隙度。热塑性聚合物原则上可以包括适合用在铅酸电池中的所有耐酸热塑性材料。优选的热塑性聚合物包括乙烯类聚合物和聚烯烃。乙烯类聚合物包括例如聚氯乙烯(PVC)。聚烯烃包括例如聚乙烯、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚丙烯。一个优选的实施方案可以包括填料(例如，二氧化硅和/或活性矿物质)和UHMWPE的混合物。一般来说，可以通过在挤出机中将约30重量％的填料与约10重量％的UHMWPE和约60％的加工油混合制成优选的隔板前体。该混合物还可以包括少量在隔板领域中常见的其它添加剂或试剂(如润湿剂、着色剂、抗静电添加剂等)，并挤成平片形状。优选通过相对压延辊的刻纹表面形成肋。此后，萃取出大部分的加工油，形成微孔薄膜。
再次参考附图中的图5和26，根据一个特定的实施例，负侧横贯肋约4密耳厚，背幅片约6密耳厚，正侧肋约20密耳厚(总隔板厚度约30密耳)。优选的隔板可以是切片或叶型隔板(图33的)或包卷、封套、囊袋、小袋，带或不带任选的层合体(参见图27)、玻璃垫(图33的)或合成的非织造物，并且可以在隔板的主纵向肋的反面上具有小的横向横贯肋。
隔板的纵向肋的反面上的横向横贯肋增加刚度和对片材的保护，使得能够减少背幅片的质量，降低ER，降低成本，并提高物理特性，如高速生产和装配(包括高速隔板、封套和/或电池生产和/或装配)可能要求的物理特性。可将这种隔板或前体制成卷、封套(或小袋)和片的形式，并且可用于其中利用高速自动化或手工装配处理隔板或期望高生产力的情况。
此外，可以通过在例如主纵向肋的反面增加横向肋或横贯肋来减少隔板的质量，同时保持加工所需的物理特性和电池内部的性能。当对相反侧增加横贯肋时优选减少主肋的质量以获得所需的总隔板厚度(主肋+背幅片+横贯肋)。也可以减少片材的厚度和/或质量，同时通过增加横向肋或横贯肋来保持生产力特性(如刚性)以及在电池寿命期间保护片材免受磨损和氧化撕扯。
根据至少一个实施例或实施方案，对铅酸隔板接触负电极的一侧增加小的紧密间隔的横向肋(优选除了正侧上的主肋外)。小的紧密间隔的负侧横向肋可以为多种不同的形式，包括但不限于连续或不连续的正弦曲线形、对角线形、或直肋图案。为便于处理，圆头的直肋可以是优选的。
正侧纵向主肋可采取基本上在纵向方向上延伸的多种形式，例如连续或不连续的正弦曲线形、对角线形或直肋。为便于处理，圆头的直肋可以是优选的。在通常被称为日本设计(Japanese Design)的某些电池设计中，没有正侧肋，而是将它们替换成层合到隔板的平正侧面的重玻璃垫。在此玻璃垫正侧面实施方案中，本发明的横向负侧肋按与带有正侧纵向肋的实施方案相同的方式起作用。正侧面可以是光滑或平整的、具有突出部分、具有肋或者具有粘结或层合于其上的非织造物。这种非织造材料可由合成的、天然的有机或无机材料或共混物形成，如玻璃纤维、聚酯(PET)、回收的PET或其组合(有或没有本发明的反应性矿物质)。隔板可以是切片隔板或包卷、封套、囊袋、或小袋型隔板。
关于至少选定的具体隔板实施方案或实施例，优选的隔板如下：
1)横向肋高度--优选在约0.02至0.30mm之间，最优选在约0.075至0.15mm之间。
2)片(基板)厚度--优选在约0.065至0.75mm之间。
3)总厚度(正侧肋+背幅片+负侧肋)--隔板的总厚度优选在约0.200至4.0mm之间。
4)质量减少--优选大于5％，更优选大于10％。横向肋提高隔板的横向刚度，并允许减小背幅片或基板厚度。可以从背幅片和正侧肋两者中去除质量，同时保持和提高横向刚度。此外，横向负侧肋对隔板的总厚度有贡献。因此，可以通过负侧横贯肋的高度来直接减小纵向正侧肋的高度。
5)隔板的类型--隔板可由多孔材料制成，如微孔或大孔热塑性材料，优选聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯及其混合物以及橡胶、聚烯烃、酚树脂、交联酚树脂、纤维素、玻璃或其组合。
增加负侧横贯肋的附加或替代益处包括：
1)电阻减小--由于负侧横贯肋的外形设计允许去除质量，同时保持同等或更高的横向弯曲刚度，因此所观察到的电阻优选较低。
2)最小化撕裂传播--当隔板受到极端氧化时，背幅片中有可能产生裂缝或分裂，并平行于主纵向肋延伸。负侧横贯肋将优选由于例如肋中额外质量的原因而阻止这种撕裂的传播。
3)侧对齐--在装配过程中，在浇注搭接片以分别连接正负电极之前将包封的板水平对齐和垂直对齐。对于垂直对齐，正侧肋对隔板和板在彼此接触时滑动的装置。对于典型的侧对齐，负极板可在接触平背幅片时滑动。负侧横向肋将优选提供较少的表面，并且应有助于侧对齐操作。
根据至少一个实施方案，隔板由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与加工油和沉淀二氧化硅和/或反应性矿物质填料混合构成。根据至少一个具体实施方案，负侧横贯肋优选具有2至6密耳半径和10至50密耳肋间距。
根据至少选定的实施方案，电池隔板包括具有背幅片的多孔薄膜以及在背幅片的正侧上的至少两排正侧肋和在背幅片的负侧上的多个负侧横贯肋或横向肋。正侧肋可以是直的或波浪状的，可以具有实心部分，并且可以具有截锥体形状。薄膜可选自聚烯烃、橡胶、聚氯乙烯、酚树脂、纤维素、或其组合，并且薄膜优选为形成用于蓄电池的电池隔板的聚烯烃材料。
电池隔板用于分隔电池的正电极和负电极，并且通常是微孔性的，从而使得离子可穿过电池隔板到达正电极和负电极。在各种铅/酸蓄电池中，无论是汽车电池还是工业电池，电池隔板通常都是具有背幅片和位于背幅片上的多个正侧肋的微孔聚乙烯隔板。通常将用于汽车电池的隔板制成连续的长度并轧制，随后折叠并沿其边缘密封，以形成接纳电池的电极的囊袋。通常将用于工业(牵引)电池的隔板切成与电极板大致相同的尺寸(片隔板)。
在由塑料材料片材制作铅/酸电池隔板的本方法的一个实施方案中，压延模制片材以形成横贯肋或负侧横向肋或突出部分，并且优选压延模制，以在片材的相反侧上同时形成正侧纵向肋和负侧横贯肋或横向肋两者。
一旦电池被充分充电，并且持续地施加电流(即，过充电)，在负极板处产生氢，并且在正极板处产生氧。随着氢在负极板处形成，其可能会推动隔板远离负极板，从而形成可能会阻止气体逸出的气袋。本发明至少选定的实施方案可解决这一问题，并提供改进的电池隔板。例如，在背面或负侧表面上延伸的负侧横贯肋可被每条正侧肋后面的平区域、裂隙或凹部所中断(参见图26)。平区、裂隙或凹部可形成通道，所述通道可纵向延伸并可供氢气逸出，可允许从正侧肋中萃取出增塑剂或润滑剂，和/或类似物。具有这种允许任何氢气逸出的通道的隔板可以是优选的。
在至少一个实施方案中，隔板由微孔热塑性材料制成，其设有纵向正侧肋和横向负侧肋，至少大多数纵向肋的高度大于横向肋的高度，并且纵向和横向肋是由塑料一体形成的实心肋，其特征在于，横向肋在隔板的基本上整个背面宽度上延伸。隔板片厚度可为大约0.10-0.50mm，纵向肋的高度可为0.3-2.0mm，并且横向肋的高度可以为0.1-0.7mm，100mm宽的纵向刚度可以为大约5mJ，横向刚度可以为大约2.5mJ，并且隔板的总厚度可小于2.5mm。
可按与常规聚乙烯隔板类似的方式制造根据本发明的隔板，其中，增加或替换反应性矿物质填料、具有凹槽以形成负侧横贯肋的负侧辊、没有凹槽、或有深度较小的凹槽的正侧辊，和/或类似物。在优选的方法中，通过狭槽模挤出含有填料的塑料材料以形成膜，然后，运行通过两个压延辊(正侧辊、负侧辊)，以此制出正侧纵向肋和负侧横向肋，并将隔板片降低到所需的厚度。正侧辊可具有浅圆周或环形凹槽和平台或平整区域或条，前者形成正侧纵向肋，后者在隔板上形成用于密封小袋边缘的平整区域。负侧辊可具有形成横贯肋的浅轴向凹槽。此外，负侧辊可具有间隔开的若干组浅轴向凹槽，它们之间有平整平台或区域(例如，用于焊接区)。
根据本发明具有负侧横贯肋的隔板优选比没有这种横向肋的隔板具有更好的机器加工性，由于横向刚度增加，隔板轨道的引导性更好，并且因为横向刚度增加，将电极板放入小袋中的加工性能应得到改进。此外，应有可能生产出片厚度大幅度减少并因此电阻降低的隔板，这特别对于试图不断提高恒电池体积的电池输出来说具有重要的意义。应该能够加工根据本发明的隔板以在常规的机器上没有困难地形成小袋。附加的横向负侧肋不应在利用热或超声装置焊接小袋时或在进行机加工以生产小袋时造成一些问题。
在至少一个特定的实施方案中，由弹性塑料制成并适合用于铅酸蓄电池的隔板包括带有内区和两个周边区的片材，且所述片材具有在纵向方向上延伸的正侧肋，其中内区中的纵向肋比周边区中的那些间隔得更宽，并且具有在横向方向上延伸的负侧肋。
可能不仅需要本发明的铅酸蓄电池作为主电源对电动汽车供电，而且还提供新的功能，作为用于混合动力电动汽车、简易混合动力汽车和具有怠速停止和启动(ISS)功能的ISS兼容汽车的启动及恢复再生电流的电源。
2009年10月20日提交的No.61/253,096的美国专利申请(标题为《具有横贯肋的铅酸电池隔板及其相关方法》,Lead Acid Battery Separators with Cross Ribs andRelated Methods)和2010年10月14日提交的No.12/904,371的待审美国专利申请(标题为《具有横贯肋的电池隔板及其相关方法》,Battery Separators with Cross Ribs andRelated Methods)中有关于带各种构造的负侧横贯肋的隔板的完整描述和附图及方法，上述每个申请据此以引用的方式全文并入本文。
为保持乃至提高隔板的运行性能，我们建议用在隔板面向负电极的一侧上紧密间隔的横向肋来增加隔板的弯曲刚度。(参见图5和26)在商业包封机上用包括负侧横贯肋的Daramic
Figure GDA0002991897140000071
隔板进行的多项测试已显示，当与带标准平坦表面的隔板相比时，加工产率有大幅度提高。(参见图25)增加弯曲刚度导致包封机加工的改进，并且现在我们考虑具有更薄的基幅片或背幅片(BW)厚度的隔板，这样我们可预期将隔板电阻进一步减少多达25％。
通过减少隔板厚度，我们看到对电池性能有两方面的好处。首先，隔板电阻降低了25％；其结果是电池的功率输出和充电接受能力得到提高。其次，隔板占据的体积较少，电极之间将有更多的酸。由于许多电池设计成贫电解质，因此，就电池的储电容量而言，用酸代替隔板质量只会产生益处。
降低隔板电阻和增加电极之间的酸量还有其它考虑。现在，典型的PE隔板具有60％的孔隙度，或者按另一种方式来说，隔板体积的40％被隔板质量占据。如果我们将隔板的质量减少一半，比如到20％，电阻将按类似的比例减少，并得到80％的隔板孔隙度。为了证实我们的假设，我们已制出具有不同孔隙度的实验隔板并测量了所得到的电阻(参见图7)。
通过利用特殊类型的二氧化硅(高表面积)，可将PE隔板制成具有非常高的孔隙度并导致电阻较低。通过将负侧横贯肋与薄BW厚度和非常高的孔隙度(新型二氧化硅)相结合，可以构造具有最终最低电阻的优选隔板。
还有另一种方法可降低隔板的功能电阻，从而使电池性能得到改进。我们特意使用术语“功能”电阻，我们这么做是要与隔板的“测定”电阻进行比较。(参见图8和10)现在常常用在单对儿电极化学电池上施加电压的装置量化隔板电阻。在电极之间有和没有隔板的情况下测量电阻，从而量化隔板的电阻。虽然这种方法对于预测隔板对电池性能影响方面是有价值的，但我们认为缺少了重要的要素，即气体截留。
在构造或充电事件期间，一旦电极被充电，则在正电极和负电极处分别产生氧和氢。随着电解质快速地被这些气体饱和，泡沫就产生了。随着这些泡沫在电解质中形成，它们将会合并，并最后上升到电解质的表面，类似于在新开啤酒杯中的二氧化碳。然而，疏散气体的过程相对缓慢，并且对电池性能的影响很大。如同啤酒杯的情况一样，这些微小的气泡附加于包括隔板表面在内的各种表面上。在气泡附着之处缺少电解质，并且这些区域成为高电阻区。因此，可将隔板的“功能”电阻描述为测定电阻，并且考虑被这些气泡遮挡的表面积的比例。
为测量被截留的气体，制备带有标准隔板和改进隔板的电池。(参见图9)在构造和过充电后，对每个电池记录电解质水平，抽真空疏散气体；液面之差就是我们所定义的被截留的气体。为建立基线，在没有隔板的情况下测试电池；改为使用玻璃棒保持电极间隔。从这项工作中，我们可以得到有关与电极相关的气体截留量的信息。正如你可以从表5中所看到的那样，当与没有隔板的电池相比时，增加标准隔板使截留的气体量增加了一倍以上。采用改进的隔板，即带有负侧横贯肋的Daramic
Figure GDA0002991897140000081
我们可以将与标准隔板相关的气体截留减少大约50％。
此前，我们建议了通过增加负侧横贯肋来降低隔板电阻以提高包封机运行性能的方法，该方法使得能够加工背幅片厚度比目前现有的薄的隔板材料。最初人们可能会担心负侧横贯肋实际上会增加气体截留。重要的是这里要注意，负侧横贯肋是Daramic
Figure GDA0002991897140000082
隔板包括的变化之一，而Daramic
Figure GDA0002991897140000083
隔板比标准隔板截留的气体少。我们已经推理，负侧横贯肋图案可充当介质，用于将较小的气泡合并成较大的气泡，从而使浮力变得大于表面粘附力，并允许气体逸出比使用标准隔板时更快。
到目前为止，我们已经示范了当与标准隔板相比时，通过两种独立的作用将电阻降低25％到50％的方法。通过我们的测试，我们还发现了将截留在隔板表面上的气体量减少40％以上的方法，该方法应产生功能隔板电阻的同等减少。通过将所有这些变化结合在一起，人们预期可以看到功能电阻减少到典型隔板值的50％至25％。这可以在微混合动力电池、ISS电池等中提供功率输出和充电接受能力的改进。
我们提出过微混合动力电池是高动力汽车电池与高能深度循环电池之间的交叉。因此让我们来花几分钟的时间考虑改进应用中所需的深度循环方面。当铅酸电池频繁或深度循环时，正极活性材料将脱落，负极活性材料将硫酸盐化，负极耳会变薄，酸有可能分层，特别是当在部分充电状态下运行时，并且最后可能会通过隔板产生水化短路。许多设计方案正在探索解决这些情况，但让我们回顾一下与隔板相关的那些方案。如果我们能将活性材料在适当的位置保持较长的时间，那么我们就能延长电池的功能寿命。为防止活性材料的脱落，有两种选择方案：首先是可以增加隔板上的肋的数目，从而提供更多的接触点，用于将正极活性材料保持在适当的位置上；其次是对隔板增加层合体，如玻璃垫。
层合体提供正侧支撑以防止正极活性材料的脱落。然而必须仔细地选择这些层合体，以便不增加气体截留，而气体截留的增加将增加功能电阻，并降低电池的功率输出和充电接受能力。利用先前描述的方法，我们在带有各种层合体的隔板上进行了气体截留测试。从实验室的工作中，我们首先确定了与板和隔板相关的截留气体的量，从而使得我们可以看到各种层合体的影响。从测试中我们可以看到各种层合体之间有关气体截留水平的差异极大。因此为保持良好的充电接受能力和功率输出，同时保持良好的保护措施防止正极活性材料的脱落，我们认为有必要选择正确(或低气体)的层合体(参见图12和13)。
循环与良好的电性能之间有另一个协同点。在我们早期的工作中，我们确定了用以增加电极之间的电解质的方法。这是通过降低隔板背幅片厚度、增加隔板孔隙度和减少隔板上的截留气体量实现的。一般来说，我们相信这些步骤也将会防止水化短路、酸分层的发生和负电极的硫酸盐化。因此，我们相信板之间更多的酸将提高充电接受能力、功率输出并延长在微混合动力应用中使用的电池的功能寿命。
为此，我们提出了将带来电池改进的隔板概念。为了提高电池的功率输出和充电接受能力，用以降低隔板电阻的方法包括1)用
Figure GDA0002991897140000084
隔板实施负侧横贯肋，允许包封薄隔板，和2)用以充分地提高隔板的孔隙度和大幅度减小电阻的方法。上述的改进也将有助于增加板之间可用的酸，并因此当电解质有限时增加电池的电容量。为了也增加板之间的酸量，我们提出了促进气体合并和疏散的方法，其将导致更好的电性能。
为了扩展铅酸电池的功能性能，特别是，在深度循环应用中，我们提出了增加肋的数目以对很可能会在重度循环期间脱落的正极活性材料提供更多的接触点。另一种防止活性材料脱落的方法是对隔板增加层合体。然而应仔细地选择这种层合体以最小化截留气体的量，并因此产生电池的最大功率输出和充电接受能力。关于通过最大程度地减少酸分层的发生或防止通过隔板的水化短路来延长循环寿命，下面有更多的描述(参见图14)。
我们相信，为微混合动力应用开发的这些新概念可直接应用于现有的产品，服务于当前的市场需求。例如，对于希望进一步提高工厂效率的电池制造商来说，改进的包封机运行性能将深得益处。对致力于使现有电池上等级的电池制造商来说，能减少气体截留量并因此得到改进的功率及电功能的隔板改进是有益的。
本发明可很好地适合于微孔材料(例如，小于1微米的孔)，但其也适用于其它多孔及大孔(例如，大于1微米的孔)材料，包括由橡胶、PVC、合成木浆(SWP)、玻璃纤维、纤维素纤维、聚丙烯及其组合制成的隔板。
根据至少选定的实施方案或方面，本发明涉及改进的独特和/或高性能ISS铅酸电池隔板(如改进的ISS淹没式铅酸电池隔板)、包括这种隔板的ISS电池、生产方法和/或使用方法。本发明的优选ISS电池隔板同时解决多种隔板特性，并可包括负侧横贯肋和PIMS矿物质。
本发明不限于ISS淹没式铅酸电池的隔板，如聚烯烃隔板，优选填充的聚乙烯隔板，但也适用于电容器、蓄电池、胶体电池、聚合物电池、碳电池、电池/电容器组合、电化学电池的隔板、多孔薄膜、多孔膜、多孔层合体、涂布薄膜、及其组合。
根据至少选定的实施方案或方面，本发明涉及改进的独特和/或复合性能的电池隔板、铅酸电池隔板、淹没式铅酸电池隔板、增强淹没式铅酸电池隔板、ISS或微混合动力电池隔板、ISS淹没式铅酸电池隔板、ISS增强淹没式铅酸电池隔板、包括这种隔板的电池、包括这种电池或隔板的系统或车辆、生产方法、和/或使用方法。
在目前隔板技术已经解决了不连续隔板中的一两个关键特性的情况下，本发明一种可能优选的电池隔板同时解决并优化多种隔板特性。据信根据至少某些实施方案，本发明最先认识到需要同时解决多种隔板特性，最先选择特定的多种隔板特性组合，并且最先生产如下文所述的商业上可行的多特性电池隔板。
为了减少燃料消耗和尾气排放的产生，汽车制造商已经实施了不同程度的电动混合。一种形式的混合电动车辆(HEV)通常被称为“微HEV”或“微混合动力”。在这种微HEV或概念中，汽车具有怠速停止/启动(ISS)功能和通常的再生制动。为了保持降低成本，许多汽车制造商正在考虑淹没式或增强淹没式铅酸电池(EFB)以满足与ISS功能有关的电气功能。由于与这种电池有关的功能往往不同于标准的汽车应用，如启动照明和点火(SLI)电池，因此这可导致ISS或微混合动力电池隔板的不同功能或优选性能。
根据至少选定的实施方案或方面，本发明涉及改进的独特和/或复合性能的电池隔板、铅酸电池隔板、淹没式铅酸电池隔板、增强淹没式铅酸电池隔板、ISS或微混合动力电池隔板、ISS淹没式铅酸电池隔板、ISS增强淹没式铅酸电池隔板、包括这种隔板的电池、包括这种电池或隔板的系统或车辆、生产方法和/或使用方法。
虽然一种可能优选的实施方案可以是通气或淹没式铅酸电池，但要理解的是，电池可以是增强淹没式铅酸电池(EFB)、阀控式铅酸(VRLA)电池、低维护铅酸可再充电电池、吸收玻璃毡(AGM)电池、VRLA AGM电池、胶体电池(gel cell)、VRLA胶体电池、密封铅酸电池、“贫酸”设计电池、“重组”电池(在正极板放出的氧将主要与要在负极板上放出的氢再结合以产生水)、聚合物、碳铅酸或其它电池、电容器、超级电容器、蓄电池、电池/电容器组合，和/或类似物。
此外，本发明的改进隔板可在ISS电池、ISS系统、ISS车辆中得到特殊的适用性，或者可用于其它电池或装置。
有或没有再生制动的微HEV及ISS的出现对电池和电池隔板设定了新的要求。可通过本发明的隔板、电池、系统或方法的至少某些实施方案解决或满足这种新的要求。
ISS淹没式铅酸电池将以大约50％至80％的部分充电状态(PSoC)工作，这与通常以100％充电状态工作的典型SLI电池不同。随着再生制动和频繁的重新启动，电池将经历浅充电和再充电循环。根据电气系统设计的情况，ISS电池可不通常进入过充电状态，并因此产生可对酸混合有用的氧气和氢气。
铅酸电池持续增长并拓展到新的应用领域。一种日益增长的应用领域被称为深度循环，其中对电池进行频繁和深度放电。这种应用的例子包括微混合动力车辆(例如与怠速-启动-停止相关的微混合动力车辆)、备用电源、与风或太阳能相关的可再生能源以及牵引(如用于对电动叉车、高尔夫球车等供电)。
随着铅酸电池在这些深度循环应用中的使用，许多工作正在进行当中，特别是与在微混合动力车辆中的用途相关的工作，用以提高适用性。为此，科学家正在探索各种方案以提高导电性和活性物质的利用率，防止硫酸盐化的不利影响，最小化栅板和极耳的腐蚀，并防止活性材料脱落，这仅仅是所举的几个例子(参见图16)。尽管铅酸电池的商业化使用已经有100多年，但进展一直不曾停止。
根据本发明的至少某些实施方案或方面，新改进的高性能和/或复合性能隔板可以给这些深度循环应用中的铅酸电池的功能拓展带来积极的影响。对于较大电池的行业，近期大部分的研究工作集中于开发用于微混合动力车辆的隔板，但我们相信，这些进展中的许多也将有利于更广泛的深度循环市场。为了提供背景，我们以在隔板设计中取得的历史性收获开始，并且完成了近期的工作或目前正在进行中的工作。
从过去来看，并且参考图17，铅酸电池使用由木片、橡胶、烧结PVC和浸渍纤维素材料构造的隔板。作为隔板，由于多种原因，这些材料在全世界范围内都处于下行状态。参考图18和19，我们关注见于最终取代旧技术的较新隔板的一些特性：1)孔径分布，2)排酸量，3)抗氧化性，和4)焊接能力。为理解隔板孔径的重要性，我们首先应该注意，在活性材料中使用的铅粒具有1至5微米的平均直径。为了抑制铅粒通过隔板迁移，并因此阻碍在电极之间形成电子传导点，注意力已经从过去的隔板材料转向具有亚微米孔的材料，如PE隔板(参见图18)。
提出的下一点是排酸量，对此我们的意思是指被隔板占据的体积。隔板占据的体积越大，电极之间可用的酸就越少。较小的隔板体积和较多的酸通常会提高电池容量，并且往往可增加放电倍率，特别是当受限于电池中的酸体积时。较新的隔板材料比先前的材料占据的体积小，因此它们需要有更强的耐氧化性，以便在预期寿命期间发挥作用。简而言之，允许板之间有较多酸的隔板通常背幅片的厚度较薄，因此，需要能较好地承受氧化攻击。
过去所关注的最后一点是被形成为小袋或套的能力。往往铅酸电池的功能寿命可由于“生苔”、侧部或底部短路的原因而缩短。所谓“生苔”，我们的意思是指活性材料已脱落，并且在隔板侧部或底部周围形成导电桥，即使在有泥室存在的情况下也如此。可被制成小袋或套的隔板可大大地减少或防止这些类型的故障。
因此，到目前为止，我们一直就最基本的方面谈及隔板的功能性，就是说，使正电极与负电极隔开，同时，允许离子和电解质自由流动。参考图20，我们来看一看隔板更有效的功能，即抑制通常所谓的锑中毒。在电池的寿命期间，添加到正极栅板中的部分锑将会变得可溶于电解质，然后，迁移并沉积在负电极的表面上。沉积出(plating out)锑将使负电极去极化，并因此在充电期间对正电极施加更大的电压负荷。在电池被充电时，沉积在负电极上的锑将在硫酸铅被转回海绵状铅之前引发水的水解。因此，充电电流的一些部分未被储存，而是浪费于由水产生氢和氧。
为处理这种锑的问题，电池制造商已经降低了锑的浓度或者完全不用锑。然而在深度循环应用中，锑合金化有很多正面效益(参见图21)。在电池深度放电时，铅被转化成硫酸铅，后者的体积大出大约40％，因此这将导致电池中的膨胀。锑合金提高栅板的强度并防止有害的变形，并且可最终有助于在充电期间将硫酸铅转回铅。其次，已经通过经验发现，锑合金改善活性材料与栅板之间的界面。随着界面的改善，可以预期活性材料能得到更有效的利用并提高充电接受能力。使用锑的最明显的原因是要降低或延缓正极栅板的腐蚀速率。无需开展冶金科学领域中的高级讨论，锑合金是用以降低栅板腐蚀的一种典型的设计变更，特别是对于频繁放电的电池来说。
根据本发明至少选定的实施方案或方面，电池制造商可利用与锑相关的前述优点，并且通过选择适当的隔板可以处理任何不利的影响。适当或优选的隔板为改型新改进的和/或复合性能的PE隔板。PE隔板用于深度循环应用已有许多年，如用于动力、逆变器电池、高尔夫球车和可再生能源，甚至用于具有低水量损失的严格OEM规范的SLI应用。因此当使用锑合金时，重要的是选择适当的隔板以充分利用所述的优点并降低任何相关的不利影响。
如前所述，最近与铅酸电池行业相关的许多科学家受到特别的关注，以期满足与ISS或微混合动力车辆相关的需求。参考图22，ISS或微混合动力应用的需求是同SLI电池相关的高功率要求与动力应用的深度循环需求之间的交叉。
我们开始先看一下对隔板的改动，这种改动能在电池中产生更大的功率。在电池内电阻减小时，由电池可得到更大的功率。通过在电极之间提供更多的酸可以解决与扩散相关的限制问题，并且也能产生更大的功率。往往在实验室装置中的电池的外部表征隔板电阻。虽然由这种装置得到的值通常是有用的，但我们认为还差了一个重要的因素，即气体截留。(参见图23)在淹没式铅酸电池中，气体以不同的程度产生，这取决于充电电流的情况。这种气体最终将会逸出电池，但在一段时间中，它将会附着于电极和隔板表面。在气体附着之处，实际上成了离子电导的死区。我们已经发现了有效地将附着于隔板的气体量减少大约40％的方法。通过将与隔板相关的气体减少优选40％或更多，与隔板相关的功能离子电阻的显著改善可提高电池的功率性能。
提高电池功率的另一种方法是增加电极之间的酸量。(参见图24)根据本发明的至少一个实施方案或方面，这优选是通过对隔板进行逐步改动进行的。首先，需要提高隔板的抗氧化性，使得能够减少隔板的质量而不损害主要的功能，即防止电极的电子短路。在质量减少的情况下，隔板仍必须具有允许被装配到电池当中的适当机械特性。两项这种特性是抗击穿性和弯曲刚度。一旦审慎地提高抗氧化性，同时保持适当的击穿阻力及刚度水平，则可以减少隔板质量以增加电极之间的电解质体积。在电极之间有更多酸可用的情况下，电池不太可能遇到与酸扩散相关的限制问题，从而提高功率输出。图24中的表显示现在由Daramic,LLC of Charlotte,North Carolina提供用于微混合动力电池应用的选定的标准
Figure GDA0002991897140000101
HP与
Figure GDA0002991897140000102
隔板之间的比较。
在两种隔板的比较中，我们可以看到，
Figure GDA0002991897140000103
隔板显示出抗氧化性的大幅度提高，同时，保持了可见于
Figure GDA0002991897140000104
HP的高击穿阻力，并且，这是在质量大约少15％的情况下实现的。隔板的质量较少，也意味着
Figure GDA0002991897140000105
隔板的排酸较少，因此，板之间有更多的酸。专注于微混合动力应用的制造商发现，当与标准的PE隔板相比时，用
Figure GDA0002991897140000106
隔板制成的电池在快速放电期间具有较低的电池电阻和较高的功率输出。
与微混合动力应用相关的另一项主要挑战是延长电池的循环寿命的能力。这种应用中的电池往往在不同程度的部分充、放电状态下工作，这取决于车辆停止的持续时间以及在各放电之间没有充分的再充电的这种停止期间的电占空量。
除了给予快速的功率提升以在各次停止之后重新启动发动机之外，在电池的预期寿命期间，电池还可能经历数以万次计的浅循环。在这些电池循环时，有机会产生酸梯度。(参见图25)在酸于电池的底部浓缩的情况下，电化学反应将更局限于电极的上部，并且这将会导致过早的容量损失。在深度循环应用中，充分的过充电将产生气泡，这种气泡将有助于混合酸并防止酸分层。然而，在电池很少(如果有)完全充电的应用(如ISS)中，应采用其它方法防止酸分层。
要采取其它方法以防止酸分层，重要的是首先要了解其产生的机制。在对部分充电状态的电池施加电流时，硫酸铅被转化，并且高浓度的硫酸最初形成于板表面。在这一时刻，邻近板表面将建立起硫酸的边界层。由于此酸层比本体酸的浓度大，将会有产生扩散或与本体空间中的较低浓度的酸混合的驱动力。除了扩散力外，重力也将对此边界层产生作用。遗憾的是，高浓度的硫酸可能比本体酸重10％至20％，此边界层将如同密度较大的柱，并导致酸在电池的底部浓缩。这种酸分层的倾向特别可见于其中酸未被隔板固定的在部分充电状态下工作的淹没式电池。在VRLA电池中充电时，在电极表面产生的浓酸立即与填充电极之间的整个空间的玻璃纤维发生接触，并且交叉纤维的毛细作用提供重力的反作用力，减少酸分层的倾向。
在引入
Figure GDA0002991897140000111
隔板的情况下，有我们认为有助于在淹没式铅酸电池中最大程度地减少酸分层的设计变更，并且实际上电池测试正确认有积极的结果。首要的是，
Figure GDA0002991897140000112
隔板比传统隔板占据的体积少大约15％。因此，电极之间将有更多的酸，这对于最大化电性能是重要的。要注意的下一项设计参数是优选的负侧横贯肋构造。(参见图26)通常情况下，隔板面向负电极的表面要么是平的，要么在垂直(或纵向)方向上具有微型肋。(参见图25)
再次参考图26，与
Figure GDA0002991897140000113
隔板相关的优选负侧横贯肋设计在水平(或横向)方向上具有许多小的微型肋。据信电解质在一定程度上被固定，因为在水平方向上有许多小的微型肋。(参见图26)这些负侧横贯肋提供与AGM隔板不同但在功能上与之等同的机械屏障，其将阻碍酸梯度的形成。如果愿意的话，负侧横贯肋设计产生数以百计以上的微型横向阻挡物以保持较重的酸不向下流动。
除了防止酸分层之外，负侧横贯肋的设计在别的领域中也有帮助。在快速放电中，当要求高功率时，酸扩散进入负电极的速率往往是限制因素。因此，负侧横贯肋设计产生数百个微型阻挡物，这继而在电极的表面上均匀地产生数百个酸微池。到目前为止，我们已经提出了防止酸分层和提高功率输出的可能机制。已发现
Figure GDA0002991897140000114
隔板在微混合动力电池测试中提高功率输出并减少酸分层。根据进一步的测试，我们将会更好地了解各种机制并因此进一步提高隔板能在这些新应用当中增加的贡献。
延长深度循环电池寿命的另一方面是抑制正极活性材料的脱落。为此，往往将隔板与非织造层合体(如玻璃垫)相结合。(参见图27)通常将层合体结构施加于隔板与正电极直接接触的表面上。多年来，这一直是延长深度循环电池的功能寿命的典型商业方法。然而，旧有的层合体结构降低电池的功率输出。在微混合动力电池中，应用要求我们同时提高循环能力和功率输出。
因此，近期已开展工作以优化用于微混合动力应用的层合体结构。首先，层合体应保持机械特性以在电池的预期寿命期间防止活性材料的脱落。为满足这一要求，应该用纤维结构和抗氧化攻击的材料构造层合体。其次，层合体排酸应尽可能少，从而确保可用的酸最多。排酸尽可能少意味着该材料具有最低的基重。随着基重减少，机械特性通常也降低。因此过去和现在的挑战都是要同时优化特性。由低基重层合体造成的另一项挑战是两种材料(隔板、层合体)的结合点。将材料结合的常规技术是对隔板的肋表面及层合体施加粘合剂，但对于较薄的层合体来说，粘合剂往往会芯吸到下一层并造成加工问题。另一种结合方法是将层合体结构声焊到肋顶部，因此系统中一并无需使用粘合剂。这种方法可能只是当层合体在垫中具有足量的合成纤维时才具有实际意义。
有另一项层合体标准，其本质上不很明显，但能大幅度限制电池的能量转换，这就是气体截留。任何时候当铅酸电池被过充电时，由于水的水解而形成氢和氧。在淹没式电池中，这些气体将最终逸出。然而，在一段时间中，这些气体将附着于电极、隔板的表面并且特别是附着于结合以延长电池的循环寿命的层合体结构上。在气体被截留时，电解质被从电极之间的空间中推出，如电池中的电解质升高所示。由于气体极其绝缘，因而离子导电路径大为减少。因此，优化层合体以将气体截留减到最少对于使铅酸电池的功率及电容量最大化来说可能是关键的，无论是深度循环还是微混合动力应用都如此。
参考图28的顺序回顾。在过去的100年中，铅酸电池主要以满足新应用的各种需求的渐进方式发展。为满足这些需求，包括隔板在内的构造材料已发生了变化。在这段时间中，隔板已转向合成的构造材料，如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。这些合成材料允许隔板是微孔的以便防止短路，提高抗氧化性以延长寿命，并且能够被包封以便防止侧部和底部短路。这些新型的PE隔板已经提供了增加其它功能的可能性，如将添加剂掺入隔板以防止锑中毒并减少相关的水量损失。
为满足诸如微混合动力的新的市场机遇，我们相信已经并且还将需要改变包括隔板在内的构造材料。(参见图29)微混合动力应用要求高功率以转动发动机(如见于传统的SLI电池)，以及见于深度放电电池的频繁循环。为提高功率，我们已优选对隔板进行了改变以通过使隔板的气体截留最小化而增加可用的酸并降低电阻。为延长电池寿命，我们已优选将酸固定，因此防止了酸分层的发生。接下来，我们增加层合体以将活性材料保持在适当位置。这些设计变更优选集中于同时优化层合体的三种特性：基重、机械特性和气体截留。不仅已经作出和提出了设计变更，而且也已经确认了至少某些隔板及层合体变更以改进微混合动力淹没式电池的性能。
迎接与微混合动力应用相关的挑战可能也在目前使用铅酸电池的其它应用中有益处。例如，对隔板进行改动以最小化酸分层、减少气体截留、最大化酸量、降低电阻和延长循环寿命，这些都能直接转换到目前的电池应用当中。这些发展变化产生变革性的隔板，并且与同竞争技术相比本质上有利的成本结构相关联，使铅酸电池成为开发ISS及微混合动力市场的一个极好的选择。
根据至少选定的实施方案，优选的新改进和/或复合性能的隔板(如深度循环或ISS或微混合动力隔板)具有在淹没式铅酸电池中有助于最小化酸分层的特性，占据的体积比传统隔板小大约15％，具有负侧横贯肋，在水平方向上具有许多小的微型肋，具有将阻碍酸梯度产生的机械屏障，具有数百个微型阻挡物以保持较重的酸不向下流动，具有数百个微型阻挡物，所述微型阻挡物在电极的表面上均匀地产生数百个酸微池，其在微混合动力电池中提高功率输出并减少酸分层，和/或类似情况。
根据本发明至少选定的目的，提供了改进的独特高性能和/或复合性能电池隔板、铅酸电池隔板、淹没式铅酸电池隔板、增强淹没式铅酸电池隔板、ISS或微混合动力电池隔板、ISS淹没式铅酸电池隔板、ISS增强淹没式铅酸电池隔板、包括这种隔板的电池、包括这种电池或隔板的系统或车辆、生产方法、使用方法，和/或类似目标。
图31至33涉及叶型或片型隔板。图31是示例性铅酸电池的部分剖开的示意透视图，示出向外放置的叶或片隔板，如图33的
Figure GDA0002991897140000121
Auto PE叶隔板或
Figure GDA0002991897140000122
IndustrialPE叶隔板。图33的
Figure GDA0002991897140000123
PE叶隔板显示带有任选的玻璃垫层合体(参见相应的放大端视图)。
根据至少选定的实施方案，本发明涉及新的或改进的电池、隔板、构件和/或具有重金属去除能力的组合物，和/或其制造方法，和/或使用方法。根据至少某些可能优选的实施方案，本发明涉及新的或改进的铅酸电池、铅酸电池隔板(单层或多层)、铅酸电池构件(如电池壳体、电池部件、多孔袋、层合体、涂层、表面、填料、电极配方、电解质，和/或类似物)和/或具有重金属去除能力的聚合物或树脂组合物，和/或其制造方法和/或使用方法。根据至少可能更优选的特定实施方案，本发明涉及新的或改进的铅酸电池、铅酸电池隔板(单层或多层)、铅酸电池构件(如电池壳体、电池部件、多孔袋、层合体、涂层、表面、填料、电极配方、电解质，和/或类似物)和/或具有重金属去除能力并利用至少一种PIMS矿物质作为其中的至少一种填料组分的聚合物或树脂组合物。根据至少一个特定的微孔铅酸电池隔板实施方案，提供PIMS矿物质(优选鱼粉、生物矿物质)以至少部分地替代二氧化硅填充的铅酸电池隔板(优选聚乙烯/二氧化硅隔板配方)中的二氧化硅填料组分。根据至少某些实施方案或实施例，本发明涉及电池隔板、涉及制造电池隔板的方法、涉及使用电池隔板的方法、涉及改进的电池隔板和/或涉及用于铅酸电池的改进隔板或层合体。
新的或改进的铅酸电池可优选包括：容纳与负电极间隔开的正电极且多孔隔板位于正电极与负电极之间的外壳，和在正电极与负电极之间离子联通的电解质，并且外壳、隔板、正电极、负电极和电解质中的至少之一包括至少一种天然或合成的羟磷灰石矿物质。
新的或改进的铅酸电池可优选包括：容纳与负电极间隔开的正电极且多孔隔板位于正电极与负电极之间的外壳，和在正电极与负电极之间离子联通的电解质，并且外壳、隔板、正电极、负电极和电解质中的至少两个包括至少一种天然或合成的羟磷灰石矿物质。
新的或改进的铅酸电池可优选包括：容纳与负电极间隔开的正电极且多孔隔板位于正电极与负电极之间的外壳，和在正电极与负电极之间离子联通的电解质，并且外壳、隔板、正电极、负电极和电解质中的至少三个包括至少一种天然或合成的羟磷灰石矿物质。
根据至少选定的实施方案，隔板包括一种或多种表面活性剂。例如，一种或多种表面活性剂可以是非离子、阴离子或阳离子型的，如：
离子/阴离子：
·硫酸盐
o烷基硫酸盐：月桂基硫酸铵、月桂基硫酸钠。
o烷基醚硫酸盐：月桂醇醚硫酸钠。
·磺酸盐：
o多库酯盐：二辛基磺基琥珀酸钠；
o烷基苯磺酸盐；
·磷酸盐：
o烷基芳基醚磷酸盐
o烷基醚磷酸盐
·羧酸盐：
o烷基羧酸盐
■脂肪酸盐、硬脂酸钠、月桂酰肌氨酸钠
离子/阳离子：
·烷基三甲基铵、十六烷基吡啶鎓、聚乙氧基化牛脂胺、苄烷铵、苯乙铵、二甲基二(十八烷基)铵、二(十八烷基)二甲基铵
非离子：
·脂肪醇、鲸蜡醇、硬脂醇、鲸蜡硬脂醇、油醇、聚氧乙二醇烷基醚、八乙二醇单十二烷基醚、五乙二醇单十二烷基醚、聚氧丙二醇烷基醚、葡糖苷烷基醚、癸基葡糖苷、月桂基葡糖苷、辛基葡糖苷、聚氧乙二醇、辛基酚醚、Triton X-100、聚氧乙二醇烷基酚醚、壬苯醇醚-9、甘油烷基酯、月桂酸甘油酯、聚氧乙二醇脱水山梨醇烷基酯、聚山梨醇酯、脱水山梨醇烷基酯、椰油酰胺、十二烷基二甲基氧化胺、聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段共聚物
根据至少选定的各种实施方案，一种或多种化学式为R(OR1)n(COOMx+1/x)m的化合物包含于所述隔板。在所述式中，R代表含碳原子数在10和4,200之间的非芳族烃基，所述碳原子可以被氧原子中断，R1代表H、-(CH2)kCOOMx+1/x或-(CH2)k-SO3Mx+1/x，其中k代表1或2，M代表碱金属或碱土金属离子、H+或NH4+，其中并非所有的变量M同时定义为H+，n代表0或1，m代表0或10到1,400的整数，并且x代表1或2。根据前述的化合物中的氧原子与碳原子的比例范围在1:1.5至1:30之间，并且n和m不能同时代表零。
本发明的新或改进的隔板可用作铅酸电池隔板、用于启动、深度循环和备用电源电池应用或用于在诸如以下应用中使用的淹没式、凝胶和AGM电池类型的隔板：启动、静止、动力和深度循环铅酸电池应用以及用于淹没式和特种铅酸电池应用和/或用于优质铅酸凝胶电池。此外，这种隔板也可用于其它电池、蓄电池、电容器，和/或类似物。
据信本发明最先认识到需要同时解决多种隔板特性，最先选择特定的多种隔板特性组合，并且最先生产如下文所述的商业上可行的多特性电池隔板。
本发明可以在不偏离其实质和基本属性的情况下以其它形式的方式实施，因此，应参考所附的权利要求书而不是前述说明书来认定本发明的范围。

Claims (27)

1.一种铅酸电池隔板，包括正面和背面，所述铅酸电池隔板包含：
膜，所述膜具有背幅片，该背幅片具有由背幅片形成的肋，所述膜包含一种或多种非离子表面活性剂；并且
所述隔板具有以下特性中的至少两种特性：
背幅片厚度为125-250微米；
击穿阻力>10N；
抗氧化性(40小时的Perox测试)>50％的初始垂直于加工方向(CMD)的伸长；
抗电阻性<65mΩ-cm2；
具有锑合金的水量损失<1.5g/Ah；以及
具有非锑合金的水量损失<0.8g/Ah。
2.根据权利要求1所述的铅酸电池隔板，其中，所述膜是多孔、二氧化硅填料的聚烯烃膜。
3.根据权利要求1所述的铅酸电池隔板，进一步包括附着在所述膜上的层合体。
4.根据权利要求3所述的铅酸电池隔板，其中，所述层合体是玻璃垫。
5.根据权利要求1所述的铅酸电池隔板，还具有<100ppm的酸可浸出的总有机碳(TOC)。
6.根据权利要求1所述的铅酸电池隔板，进一步具有>20mN的沿垂直于加工方向(CMD)的刚度。
7.根据权利要求5所述的铅酸电池隔板，其中，所述酸可浸出的总有机碳(TOC)<50ppm。
8.根据权利要求5所述的铅酸电池隔板，其中，所述酸可浸出的总有机碳(TOC)<75ppm。
9.根据权利要求1所述的铅酸电池隔板，其中，所述铅酸电池隔板的基重<150gsm。
10.根据权利要求1所述的铅酸电池隔板，所述铅酸电池隔板具有厚度为125-250微米的背幅片。
11.根据权利要求1所述的铅酸电池隔板，其中，所述铅酸电池隔板的背幅片具有如下至少之一：正侧肋；负侧肋。
12.根据权利要求11所述的铅酸电池隔板，其中，所述正侧肋是正侧纵向肋。
13.根据权利要求11所述的铅酸电池隔板，其中，所述负侧肋是负侧横贯肋。
14.根据权利要求11所述的铅酸电池隔板，其中，所述正侧肋和/或负侧肋是小的微型肋；连续肋；间断肋；或小的紧密间隔的横向肋。
15.根据权利要求11所述的铅酸电池隔板，其中，所正侧肋是正侧主肋。
16.根据权利要求11所述的铅酸电池隔板，其中，所述隔板背幅片至少具有负侧横贯肋。
17.根据权利要求1所述的铅酸电池隔板，其中，所述一种或多种非离子表面活性剂选自：脂肪醇、聚氧乙二醇烷基醚、葡糖苷烷基醚、聚氧乙二醇、辛基酚醚、聚氧乙二醇烷基酚醚、甘油烷基酯、聚氧乙二醇脱水山梨醇烷基酯、椰油酰胺、十二烷基二甲基氧化胺、聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段共聚物、聚山梨醇酯。
18.根据权利要求1所述的铅酸电池隔板，其中，所述一种或多种非离子表面活性剂选自：壬苯醇醚-9、鲸蜡醇、硬脂醇、鲸蜡硬脂醇、油醇、八乙二醇单十二烷基醚、五乙二醇单十二烷基醚、癸基葡糖苷、月桂基葡糖苷、辛基葡糖苷、月桂酸甘油酯。
19.一种铅酸电池，其包括根据权利要求1所述的铅酸电池隔板。
20.一种电池，其包括根据权利要求1所述的铅酸电池隔板。
21.一种电池，其包括根据权利要求11所述的铅酸电池隔板。
22.一种车辆，其包括根据权利要求19所述的铅酸电池。
23.一种铅酸电池隔板，包括正面和背面，所述铅酸电池隔板包含：
膜，所述膜具有背幅片，该背幅片具有由背幅片形成的肋，所述膜还包含一种或多种阴离子表面活性剂；并且
所述隔板具有以下特性中的至少两种特性：
背幅片厚度为125-250微米；
击穿阻力>10N；
抗氧化性(40小时的Perox测试)>50％的初始垂直于加工方向(CMD)的伸长；
抗电阻性<65mΩ-cm2；
具有锑合金的水量损失<1.5g/Ah；以及
具有非锑合金的水量损失<0.8g/Ah。
24.根据权利要求23所述的隔板，其中，所述一种或多种阴离子表面活性剂选自：硫酸盐、磺酸盐、磷酸盐和羧酸盐。
25.根据权利要求23所述的隔板，其中，所述一种或多种阴离子表面活性剂选自：烷基硫酸盐、烷基醚硫酸盐。
26.根据权利要求23所述的隔板，其中，所述一种或多种阴离子表面活性剂选自：月桂基硫酸铵、月桂基硫酸钠、月桂醇醚硫酸钠。
27.根据权利要求23所述的隔板，其中，所述一种或多种阴离子表面活性剂选自：二辛基磺基琥珀酸钠、烷基苯磺酸盐、烷基芳基醚磷酸盐、烷基醚磷酸盐、烷基羧酸盐、脂肪酸盐、硬脂酸钠、月桂酰肌氨酸钠。
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