CN108140907A - 双极电池密封和导热肋构造 - Google Patents

双极电池密封和导热肋构造 Download PDF

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Abstract

一种例如用于双极铅酸电池的集电器组件，可以包括导电硅基板和结合到所述导电硅基板的框架。所述基板可以被处理或修饰，例如包括一个或更多薄膜，其使所述导电硅基板的表面在存在铅酸电解质化学作用的情况下具有导电性且电化学稳定。所述框架和导电硅基板之间的界面可被气密地密封。在一种实施例中，所述框架可以具有边缘密封环的结构。在一种实施例中，壳体组件可以包括结合到所述基板的隔件以及外壳部段和导热肋，所述隔件使所述导热肋与导电硅基板电性隔离。

Description

双极电池密封和导热肋构造
优先权要求
本专利申请要求下列各项的优先权：(1)发明名称为“BATTERY SEAL USING WAFERBONDING”于2015年7月15日提交的(律师案号3601.019PRV)申请号为62/192,760的美国临时专利申请；(2)发明名称为“BIPOLAR BATTERY HAVING THERMALLY CONDUCTIVE RIB”于2015年9月25日提交的(律师案号3601.020PRV)申请号为62/232,764的Moomaw等人的美国临时专利申请；以及(3)发明名称为“SILICON CURRENT COLLECTOR FOR BIPOLAR BATTERY”于2016年2月25日提交的(律师案号3601.019PV2)申请号为62/299,877的Moomaw等人的美国临时专利申请；上述在先申请各自在此通过引用全部纳入本文。
背景技术
双极电池与单极架构电池相比可以提供简单的构造和操作性能优势，例如制造双极电池非常适合于许多现代能耗用途。双极电池通常包括串联连接的电池单元。例如，每个电池通常包括两个电极，正的活性物质，负的活性物质，电解质储存器以及壳体或包装。术语“双极的(bipolar)”通常是指被称为“双极(bipole)”或“双板(biplate)”的集电器组件安装在电池内使得正的活性材料置于双极的一个表面上而负的活性材料则置于相对的表面上的一种配置方式。电流可以通过双极基板的横截面从第一表面上的一种活性材料层均匀地流到相对表面上的另一层。电流路径通常包括经过电解质储存器并进入另一个双极活性材料组件或端电极的路线。许多串联连接的双极决定了电池的总电压。串联连接的双极性叠层的端部通常各自包括单极，诸如在第一端的一个正性端电极和在叠层的相对端的一个负性端电极。这种端电极单极的面向外部的表面可以为电池端子提供电性连接。
发明内容
在一个实施例中，集电器组件，例如用于双极铅酸电池，可以包括导电硅基板和结合到所述导电硅基板的框架。所述导电硅基板可以包括一个或更多薄膜，这些薄膜在铅酸电解质化学品的存在下使得导电硅基板的表面导电并且电化学稳定。所述框架和导电硅基板之间的界面被气密密封。在一个实施例中，壳体部分和导热肋可以被包括作为集电器组件的一部分，所述导热肋结合到壳体部分和框架。所述框架可以形成使导热肋与导电硅基板电分离的隔件。
上述发明内容旨在对本专利申请的内容进行简要介绍。然而并不是用来对发明内容提供排他的或是穷尽的解释。下述的详细说明就是提供关于本专利申请的更进一步的信息。
附图简要说明
在附图中，其不一定是按比例绘制，相同的标号可以用来在不同图例中标示相同的组件。带有不同后缀字母的相同标号可以用来标示相同组件的不同实施例。一般来说附图是通过举例而非限制性的方式描述本文所述的各种实施方式。
图1一般性描述了包括双极电池构造的实施例。
图2一般性描述了包括双极电池板，例如可以包括作为双极电池组件的一部分，的实施例的剖视图。
图3A和图3B一般性描述了具有支撑框架的双极电池集电器(例如“双板”)组件的至少一部分的视图，包括图3A中的透视图和图3B中的剖视图。
图4A和图4B一般性描述了具有支撑框架的双极电池集电器(例如“双板”)组件的至少一部分的视图，包括图4A中的透视图和图4B中的剖视图，其中所述支撑框架具有延伸超出所述双极集电器的环。
图5一般性描述了可以包括制作双极电池集电器组件的技术，例如方法。
图6A和图6B一般性描述了可以包括制作双极电池集电器组件的技术(例如方法)的视图，包括图6A中的平面图以及图6B中的剖视图。
图7A、图7B、图7C和图7D一般性描述了用于导电硅基板的各种金属硅化物材料层(例如用作双极电池集电器组件的一部分)的扫射x射线衍射(XRD)光谱图。
图8A，图8B、图8C和图8D一般性描述了用于导电硅基板的各种金属硅化物材料层(例如用作双极电池集电器组件的一部分)的循环伏安光谱图。
图9一般性描述了可以布置在集电器组件(例如用于双极电池中)的一部分或整体周围的导热肋的透视图。
图10一般性描述了例如可以包括导热肋的壳体构造的剖视图。
图11一般性描述了例如可以包括如本文关于其它实施例所示和所述的壳体构造的双极电池组件的透视图。
图12一般性描述了电池组件的例如在终端区域附近一部分的顶视图。
图13一般性描述了例如与图9的实施例相比具有增加的向外表面积的导热肋的另一实施例立体图。
图14一般性描述了可以包括制作双极电池集电器组件的技术，例如方法。
具体实施方式
尽管相对简单和成本低，但常用的铅酸电池技术会有几方面的缺点。例如，常用的铅酸电池可以提供低能量密度，部分原因在于铅合金栅格通常无助于储能容量。而且，铅酸蓄电池的循环性能在高电流率或深度放电的条件下通常很差。铅酸蓄电池还可能具有较差的部分充电性能以及较高的自放电率。这样的性能特征可以至少部分地归结于常用的铅酸电池的结构配置，还可能与所使用的材料有关。
由于在涂浆板的不同位置处产生的电化学电流流过栅格至电流连接头，例如与电流密度的不均匀分布有关或由之加重，因此在铅酸电池集电器栅格内可能形成欧姆降。当电池以高电流速率充电和放电时或者当电池处于深度放电状态时，这种效果会较为显著。这种不均匀的电流密度分布通常会加速某些失效机理，包括，通常是指由于涂浆中硫酸盐晶体形成而导致的不可逆容量损失的“硫酸盐化作用(sulfation)”以及导致较为致密的电解质沉积到电池壳底部的“层化作用(stratification)”。
集电器栅格通常包括有意引入铅合金的元素，例如用以改善机械性能而不影响电化学特性。然而，许多微量元素可以与铅合金栅格形成化合物或促进电池运行过程的副反应。由于副反应与充放电的电化学反应相竞争，在电池运行过程中会出现效率低、自放电和部分电荷不足等“症状”。
常规铅酸电池通常按照“单极”配置来构造。在单极构造中，电池通常采用平行电性排列以增加电池容量，主电流在平行于单极板表面的方向上产生。然而，如上所述，常用的铅酸技术具有与其单极构造以及集电器栅格中常用的材料有关的几个缺点。相比之下，“双极”结构可以包括不同的机械构型并且可以使用不同的材料组合，从而提供与单极结构相比更佳的性能。
在双极构造中，电池通常被电性串联排列以产生特定的电池电压，并且电流通常垂直于双极板的表面(例如从双极板的一个表面到相反的表面)流动。双极电池的构建可以包括各种步骤。例如，双极集电器可以由基板材料制作。正极和负的活性材料可以置于双极集电器的相对侧面上以提供双极板。
双极板可以被压缩和堆叠，例如包括或设置有隔件以提供彼此密封的电池隔室。这样的电池隔室可以填充电解质，并且由此形成电池叠合体以激活阴极和阳极材料。在双极构造中，集电器基板本身可以提供电池间电性连接。例如，双极集电器的一个表面可以为一个电池室提供阳极，而下一个电池室的阴极可以由双极集电器的另一侧提供。双极铅酸的技术设计和材料应用可以减少常用铅酸技术的各种缺点。例如，当电流流过集电器时，电流密度分布通常可以与集电器的尺寸和形状无关。因此，与单极构造相比，在高速率放电和深度放电操作期间这样的电流密度被减小。
用于双极集电器的材料不限于如集电极栅格那样的铅合金，因此可以设定用于双极集电器的基板材料以同时满足机械和电化学要求。例如，集电器可以被边缘密封以隔离每个电池室，并且与单极电池的铅合金栅格中使用的那些相比，机械强度要求因此不那么严格。例如，在单极构造中，集电器的整体质量通常由电流极耳支撑。在带有边缘密封的双极结构中，就不需要这种电流极耳支撑。
图1一般性描述了双极电池构造的实施例。电池组202可以包括一个或更多双极电池板，例如双极板121A、121B和121C。双极板121A、121B或121C可以包括在板组件的一个或更多侧面上的一个或更多薄膜层，例如硅化物层，如本文其它实施例中所示和所述。
如图1所示，第一端子130A可以提供第一极性，而第二端子130B可以提供相反的第二极性。例如，双极板可以在区域116A和116B中夹有电解质比如用以形成密封的电池。在一个实施例中，区域116A中的电解质可以是流体隔离或气密密封类型中的一种或多种，使得电解质不能绕过双极板121A到达诸如电解质区域116B的相邻区域，或者抑制或阻止电解质从电池组202泄露。框架或边缘密封环可以包括板组件机械性加强或具有密封作用中的一种或多种特性，例如在其他实施例中呈现和描述的。如图1所示，电池单元可以串联构造。电池单元可以对齐以形成叠合体131A。
在双极结构中，可以在一个电池单元的负极和下一个电池单元的正极之间共享集电器(例如，诸如包括作为双极板121A的一部分的硅基板104)。第一总线124A可连接到叠合体131A到131N各自的第一电极，并且第二总线124B可连接到叠合体131A到131N各自的相对电极。如箭头所示，叠合体131A至131N的每一个可以提供通过导电硅基板主体的串联连接。以这种方式，与使用单极板的构造相比，可以减少叠合体131A至131N外部的互连总线的总数。
可以使用互连叠合体131A至131N中一个或更多的其他构造。例如，双极叠合体131A至131N可并联连接以用于较低电压应用，例如组装较低电压的电池组。或者，具有很多单元的单个双极叠合体可以用来形成更高电压的电池组。以铅酸为例，单个电池单元电压可以在2.1V左右。
图1所示的双极结构可以提供与单极构造相比的优点。例如，双极构造可以更简单，因为可以免除用于调节单极的并联电池操作的电路和控制系统。作为另一个实施例，由于整个或几乎整个双极板121A可以用于电池内部的电传导，所以可以使用与相应单极电池组件质量相当的双极电池组件来达到更高的电流密度并且因此实现更高的功率输送。作为另一个实施例，在双极铅酸电池构造中，铅金属栅格通常不用作集电器，因此使用集电器的更坚固和更轻的基板材料可以显著改善电池能量密度。
除了电传导之外，双极集电器基板通常隔离电池内相邻电池之间的电解质，并且用于集电器的材料通常是特别设定为当浸入或包含在电解质(例如H2SO4)中时在电池的使用期限内抑制或防止腐蚀。在电学方面，所述集电器基板可被设定为具有高电子传导性但是低离子传导性，从而能够用作集电器并且也能够隔离电解质的单元间穿越扩散。在化学方面，所述基板可被设定为阻抗H2SO4腐蚀，并且其表面可以设计为对H2SO4中的钝化作用呈惰性。这种钝化作用会使集电器不导电。
电化学方面，与电池充电和放电的电化学反应相比，集电器表面通常被设定为具有更宽和更稳定的电位窗口。具体而言，在铅酸化学的实施例中，阴极和阳极表面通常被设定为具有比在PbO 2和Pb上分别更高的氧和氢形成过电位，并且过所述电位被设定为在电池的使用寿命内相对稳定。高过电位可以帮助减少或尽量降低由于在电极处的水电解副反应而产生的气体。这种副反应可导致库仑效率降低，活性材料损失，容量衰减或电池过早失效中的一种或多种情形。
以前对双极铅酸电池基板材料的尝试开发遇到不同的障碍。铅金属虽然可以使用，但铅是相对较软的金属，并且在硫酸中会发生腐蚀。大多数其他金属虽然是电子导电的，但是在H2SO4中会腐蚀或钝化。复合材料，尽管具有各种各样的组成和性质选择，但常常会受到低电子或高离子电导性中一种或多种因素的影响。
本发明人已经认识到，除了其他情况之外，可以使用硅作为用于双极铅酸电池的集电器的例如基底。例如，硅晶片易形成不同的尺寸和形状，并广泛用于不同的行业。单晶硅或多晶硅通常不受H2SO4的影响，并且可以被掺杂以实现特定的导电性。尽管可以在硅表面上形成绝缘氧化物，但是可以使用各种表面改性工艺来提供需要的化学和电化学表面性质。例如，可以通过对沉积在表面上的金属薄膜进行退火处理而在硅表面上形成金属硅化物。金属硅化物通常形成与硅的低电阻欧姆接触，保护下面的硅免受氧化或钝化，并且延伸表面的电化学稳定性窗口。一个或更多薄膜，例如在硅化物形成之后沉积的一个或更多薄膜，可被沉积到基板上以增强其对活性材料粘附的表面性质。
图2一般性示出包括双极电池板121A的实施例的剖视图，例如可被包括作为双极电池组件200的一部分。第一双极电池板121A可以包括刚性导电硅基板104作为集电器。硅基板104可以包括圆形、剪切行、正方形或矩形结构，例如包括薄晶片。硅基板104可以包括半导体级、太阳能级或冶金级硅，并且硅基板104不需要是单晶的。硅基板104可以包含一种或多种掺杂剂或杂质比如用以增强基板104的体积导电性，就如本文其他地方的其他实施方式中所呈现和描述的。
双极性电池板121A可以包括位于导电硅晶片104的第一表面处或附近的一个或更多的欧姆接触层106A和粘附层108A。活性材料112A可被施加或沉积在板121A上，例如包括第一极性，例如在制作过程中或之后由机械支撑件110A所支撑。第二欧姆接触层106B可以被包括在与第一表面相对的导电硅晶片104的第二表面上。第二欧姆接触层106B可以包含与第一欧姆接触层106A相同的或不同的材料，例如，提供用于连接到电池组件其他部分的电极，提供抗腐蚀层，或提供具有类似于导电硅晶片104的第一表面的叠合体的镜像结构。还可以包括第二粘附层108B。可以包括第二活性材料112B，比如具有与第一活性材料112A相反的极性。第一接触层106A和第二接触层106B可以使用本文其他地方描述的一种或多种技术形成，例如包括顺序或同时退火的硅化物层。
第一电解质区域116A可以将电池板121A与相邻的电池板121C分离，并且第二电解质区域116B可以将电池板121A与另一相邻的电池板121B分离。电解质区域116A和116B可以包括隔件，从而有助于保持电池板之间的特定分隔。电解质区域116A和116B通常彼此流体隔离，使得串联通过导电硅基板104的主体发生导电作用。
第一和第二活性材料112A和112B可以包括正和负的活性材料，其分别位于(例如形成或沉积)在双极板121A的相对侧上，如图2所示。用于硅晶片基板的表面改性工艺可以设定为提供与阴极和阳极电化学兼容的表面。然而，在一些构造中，双极基板的两侧可以采用不同的表面改性。例如，本发明人还认识到，分别对基板104的阴极侧和阳极侧的表面化学和电化学性质进行特别处理是有用的，例如对于阳极侧相对于阴极侧分别的(例如不同的)表面改性。
为了在基板104的相对侧面上形成不同的金属硅化物，可以使用多种方法。在一种方法中，可以在一侧上沉积金属膜，随后在基板的另一侧上沉积第二金属膜。然后，基板可以被退火以将两个金属膜转换成金属硅化物。然而，不同的金属硅化物可以具有不同的烧结(转化)温度，因而在相同的温度下也许不可能针对具有阴极和阳极使用所需的电化学特性的两种不同的硅化物同时进行退火。在这样的实施例中，具有较高烧结温度在较高温度稳定的金属可沉积在硅基板104的一个侧面上并且经过退火形成第一金属硅化物。然后第二金属可被沉积到基板104的相对侧面，然后可以在第一硅化物稳定的较低烧结温下基板104退火以形成第二硅化物。
类似地，相应的(例如不同的)膜叠合体可以被沉积到双极基板的相对侧面上以改善正的和负的活性材料在双极板121A的两个侧面上的附着。为了组装双极铅酸电池，制作改性硅集电器基板可以采用正的和负的活性材料，密封到隔离的单独电池单元，与隔件叠合并填充电解质，例如电池单元以图1的双极电池叠合体以及图2的实施例所示的串联构造的方式。
双极集电器组件，例如可以使用晶片结合并且例如可以包括边缘密封件进行制作
在尤其是采用可能泄漏或流动的电解质的组件的双极电池组件中，单独的双极可以被密封到壳体框架中以避免破坏运行的电性短路。由于这种短路的倾向，双极电池组件的封装结构比其他诸如单极电池组件的结构显得更为重要。通常，每个双极和较大壳体之间的密封或其它结合被设置为是牢固和无缺陷的，并且其制作也是可重复的。
通常，双极电池构造通过具有比其他电池技术更高的电池输出电压来传递其输出功率。这种较大的电压可以通过定义彼此隔离(比如流体)的电解质区域的电池叠合体来形成。本发明人已经认识到，除了其他情况之外，随着电池单元数目的增加，在制作条件下维持这种隔离作用可能是非常困难的。缺乏这种强效隔离的其他双极电池构造属于失败的模式。当双板是由与壳体明显不同的材料制造的时候会遇到特殊的困难。通常，壳体框架(例如，壳体“部段”)可以由诸如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚丙烯、聚碳酸酯或其他材料的热塑性材料形成。这种材料的低熔点温度可能会限制双极电池的可用密封方法，因为双板可能由金属的或陶瓷的混合物制成。因此，与形成双板组件的材料相比，当壳体材料的熔化温度存在较大差异时，各种焊接或熔化工艺就不能被采用。
在一种方法中，可以使用垫片来提供这种密封。这种垫片可用于其他工业用途，并且通常由容易获得的不可腐蚀材料如橡胶或聚四氟乙烯(PTFE)制成。在足够的压力下，用这种材料可以实现可靠的密封。然而，在电池组件的整个寿命期间难以保持一致的压力程度，并且对于大型电池组来说，由于诸如由垫片内的变化引起的制造上的变化，垫片可能最后会产生不同受压的情形。此外，通常会进行仔细的表面准备，以避免在双极和垫圈之间形成微小空隙。这样的空隙可能导致电池之间不希望的离子传导性。
在另一种方法中，可以使用各种类型的粘合剂来代替基于垫片的方法。这种粘合剂可以包括例如环氧树脂。粘合剂是一种吸引人的选择，原因在于它们的初始液体形式，并且至少在理论上能够填充双极或包装框架中的任何空隙或其他不规则部位，从而极大地减少了离子泄漏的可能性。此外，粘合剂分配设备是很常用的，并且对特定粘合剂的可重复施用能够实现自动化，例如与其他方法相比可以达到较高的生产量。
不受理论的束缚，本发明人还认识到，这种自动化对改善环氧树脂粘合胶珠受压时的一致性几乎没有作用。在固化过程中，空隙和气穴仍然可以容易地形成，并且这样的缺陷可以使电解质泄漏到双板的对侧，绕过双板的导电基板(例如产生不需要的电短路)。粘合剂通常也相对昂贵并且粘合剂的工作寿命会限制可用于组件的使用持续时间。例如，使用基于粘合剂的密封构造，高压叠层的组件可能会是有问题的。化学侵蚀也会导致基于粘合剂的密封逐渐退化，例如经由长时间的暴露。这可能导致仅仅由于设备老化而造成密封失效。粘合剂以液体形式施用，因此具有流动的趋势。例如，粘合剂通常在挤压过程中被推出接头本身并进入周围环境。这可能会导致密封件视觉上不佳，而这对于商业产品来说是不能接受的。
在另一种方法中，陶瓷-塑料构造可以用于双板。可以使用感应焊接工艺，例如将双板与壳体熔合。例如，金属线在组装时可被设置在陶瓷-塑料双极和壳体框架元件之间。包括壳体框架元件和双极的电池组可被挤压并放置在感应室或线圈内。通过对外部感应线圈通电，产生磁场，在置于组件内的金属线内感应热量。这种热量使周围的框架材料熔化并形成气密密封。感应焊接是很常用的焊接技术，可用于生成可靠的密封。但是，专用设备可能是昂贵的，并且导线的金属可能要求是专用的，例如特别为了与电池化学物质兼容以防止污染。此外，感应焊接通常包括使用具有许多可能失效模式的更为复杂的双极材料基体。因此，可制造性对于带有牢固密封件的双极电池组件的制作来说仍然是严重的挑战。在实验室规模可能能够提供牢靠的密封，但是当试图将其扩展到大容量组装时，各种方法都可能会失败。
如上所述，本发明人已经认识到，除了别的情况以外，双极构造可以提出挑战，例如涉及基板材料选择和配置、用于提供可靠性的单元间密封构造以及热处置中的一种或多种问题。作为实施例，可以设定基板材料以提供用于单元间连接的导电介质，并且可以是离子不可渗透的以防止单元间泄漏，化学抵抗硫酸电解质的腐蚀，以及电化学稳定以抑制或阻止电池化学(例如铅酸化学)在操作范围内的副反应。
基板材料还可以包括便于边缘密封的构造。具有高导热率的材料可以用于基板或支撑框架中的一个或更多，从而促进热量的传热或移除。选择基板材料的其他考虑因素可以包括成本、可用性或丰度，以及在处理电池组件时的可回收性。
本文的技术方案总体上涉及集电器和双极电池构造。在一个实施例中，可以使用诸如硅晶片的硅基板作为集电器的基板。硅的密度比铅低得多，而且硅通常比铅能够提供更高的导热率。硅可以掺杂有施体或受体杂质以调节硅的导电率，例如以实现可接受的本体电导率。硅通常不受硫酸的影响，因此对硫酸腐蚀具有化学耐受性。可以应用各种各样的工艺来修改硅基板的表面，例如使其电化学稳定。可以使用晶片结合技术，例如便于将硅基板封装在电池组件中。例如，使用晶片结合技术，可以包括硅基板作为密封的电池或组件的一部分。硅对于大批量制造用途来说是丰富和经济的。
在一个实施例中，可以例如根据一种或多种工艺来修饰硅晶片，以使得基板适合用作双极集电器。例如，为了在表面上形成欧姆接触并防止自然氧化物形成，可以通过对沉积在晶片上的薄金属层进行退火处理，在硅晶片的一侧或两侧上形成金属硅化物。除了用作欧姆接触层之外，某些金属硅化物是电化学稳定的，在铅酸化学的操作范围内没有副反应，所以欧姆层也可以用作钝化层。
硅晶片可以被边缘密封，例如在高温下，通过利用直接晶片结合或粘性晶片结合。铅或铅合金的薄层可以被沉积或附着到硅晶片的一个或更多表面，以促进或改善正的和负的活性材料的附着。这种活性材料可以沉积在硅晶片集电器的相对的表面上。
在这里描述的实施例中，可以使用具有硅基板的双极集电器，例如具有美国专利申请公布No.US2014/0370369A1中描述的构造，该申请文件在此通过引用全部纳入本文。然而，在不脱离本文描述的主旨范围的情况下，可以使用其他双极集电器材料。硅的使用促进了在半导体和太阳能行业中加工硅材料规模开发的现有经济效益。例如，一种工艺可以包括晶片结合。晶片结合通常指的是在硅晶片之间产生永久性连接，例如用于半导体应用。这些结合作用通常被设定以承受半导体在操作或某些制造过程中会经受的大的温度波动。晶片结合通常是在严格的工艺控制下完成的，以防止晶片表面上敏感元件受到污染。晶片结合可以在诸如真空的环境调控的腔室内进行。如此加工使得能够实现大规模地形成高度可重复的结合。
在更大的晶片结合领域，可利用许多特别的工艺对特定的材料进行处理。直接晶片结合和粘性晶片结合是两个实施例。直接晶片结合通常是指硅-硅结合，并不一定适用于双极电池极板技术。相比之下，粘性晶片结合具有双极电池的直接应用，因为这种粘合结合是表面无关的。通过适当的表面清理，任何材料都可以通过粘性晶片结合来连接。此外，几乎所有的粘合剂都可被用上，只要能够润湿将要粘合的表面。一般而言，还不知道有粘性晶片结合用于形成气密密封，但这是由于使用了半导体加工工业中常用的粘合剂。这种粘合剂基本上是暂时性的，因此不需要严格的密封接合。
然而，本发明人已经认识到，如果需要气密性结合，则能够永久结合的许多粘合剂也能够在真空下适当地润湿。完成的结合可以是高强的、气密的，轮廓细致的。这种纤薄性是一种优点，因为留下可能遭受电解质侵袭的开放表面面积较小，从而能够延长结合结构的寿命。
粘性晶片结合可以包括三个操作过程。在第一操作中，可以将粘合剂施加到要粘合的表面上。这可以通过旋涂进行。当仅在某些区域需要粘合剂时，可以使用掩蔽技术来控制粘合剂流动。旋涂工艺确保粘合区表面上均匀的粘合珠粒。第二操作可以包括配件的高精度对准。这种对准在半导体工业中被使用，以确保在硅表面上设置的器件恰当地从一个表面到另一个表面进行接触。在电池应用中，这种对准技术可能不那么严格，但仍然使用这种对准，以确保在粘合剂层中不产生空隙。第三操作可以包括施压。对准和涂覆的工件可以例如在高真空下移动到环境可控的腔室中。然后将涂覆的表面快速压向彼此。在施压期间或之后腔室的温度可以升高以促进初始固化。部件保持的受压速度和作用力的一种或多种条件可以电性地控制。粘性结合的质量可能与施压工艺有关。太慢或太快的施压过程可能会促使形成不需要的气泡或其他缺陷。一旦初始固化完成，已经粘合的部件可以从处理室中取出，并准备好进一步组装或处理。
图3A和图3B一般性描述了具有支撑框架332的双极电池集电器(例如“双板”)组件300的至少一部分的视图，包括图3A中的透视图和图3B中的剖视图。
图4A和图4B一般性描述了具有支撑框架436的双极电池集电器组件400的至少一部分的视图，包括图4A中的透视图和图4B中的剖视图，其中所述支撑框架436带有伸出双极集电器的环。
在图3A和图3B中，诸如导电晶片304的导电集电器基板可以结合到支撑框架332，例如在导电晶片304和支撑框架332之间的界面处使用粘合层334。类似地，在图4A和图4B中，可以将导电晶片404结合到支撑框架436，例如在导电晶片404和支撑框架436之间的界面438处使用粘合剂。图3A和图3B的支撑框架332，或图4A和图4B的支撑框架436可以包含聚合物或塑料材料，或一种或多种其他材料。
一般地，双极电池组件壳体可以被分开地分割成单独的部件或元件，并且结合到集电器基板的非导电的(例如塑料)框架可以形成外部壳体本身的一部分。然而，如果壳体与双板分离，则支撑框架(例如，作为实施例的图3A和图3B所示的支撑框架332，或图4A和图4B所示的支撑框架436)可以作为载体。载体可以提供多种机械特征。例如，载体或框架通过保护其边缘以及减少在后续的组装操作期间损坏的可能性使得双板的操作处理更为简易。这种塑料载体允许使用成熟的塑料焊接技术将任何材料的双板容易地熔合到较大的双极壳体上。按这种方式，就可形成密封的壳体组件。
例如，双板被结合到载体上，然后载体可以被熔合到壳体(例如，壳体“部分”)上以提供组合的组件。常用塑料焊接技术的运用使制造过程变得简易。载体或“二次”塑料框架可以采用各种不同的形式。在图3A和图3B所示的实施例中，支撑框架332具有能够精确匹配导电集电器基板尺寸(例如，匹配晶片304的尺寸)的周边。这确保尽量减少重量增加，并且允许在双极构造中容易地采用本文描述的双板制造技术，而不需要针对比现有的双板基板具有更大占位面积的壳体进行重新设计。
在另一个实施例中，如图4A和图4B所示，支撑框架436包括略微不同的构造，其延伸超出晶片404以形成更大的表面积，例如便于塑料焊接或其他组装操作。例如，包括支撑框架436的额外材料有利于在伸出晶片404占位面积的区域为焊头留出空间进行超声波焊接，但是也可以使用其他焊接工艺。往回参考图3A和图3B，也可以使用塑料焊接技术，如果晶片304受到保护防止这种处理的热量或振动的损伤。在图4A和图4B中，与其他方法相比，延伸的支撑框架436将晶片404与焊接操作隔开以提高耐用性。
在说明性实施例的图3A中，支撑框架332被示出为仅施加到晶片304的一个表面，尽管结合到晶片304的两个表面也是可能的。例如，与结合到两个表面相比，结合到单面有助于较为紧密的工艺控制。在粘合剂结合的加热期间，如果两个表面同时被处理，则可能在晶片304内发生热聚集。位于界面334处的粘合剂的薄度，如图3B的实施例中所示，有助于在不使用大量热能的情况下进行结合，尽管可以施加的热量进行设定至少部分地为了使粘合剂适当润湿。
图4B示出如何可以在晶片404和延伸的支撑框架436之间进行结合。例如，延伸的支撑框架436可以包括空腔或内凹，以便在组装时帮助“抓获”或定位晶片404。这种内凹可以增加粘合剂能够流动的润湿面积。由于这样的特征，会使得结合更为牢固以及对双板的更好保护。图3A、图3B、图4A和图4B所示的构造配置可以具有许多变化和组合，特别是如果支撑框架和基板(例如晶片)的尺寸和形状被设计成在粘性粘合设备内进行处理的话。虽然可以使用第二支撑框架(例如，支撑框架332或支撑框架436)来保护集电器基板(例如晶片304或晶片404)，但是也可以直接对电池壳体部分进行粘性晶片结合而不需要单独的支撑框架。
支撑框架和集电器基板的形状是可以变化的以适应不同的双极工艺技术，尽管本文描述的说明性实施例涉及使用半导体级晶片结合将双极电池集电器密封到它们各自的壳体。术语“半导体级”通常用于晶片结合技术，但是材料和工艺过程不必严格按照常用半导体处理中使用的条件。例如，即使采用半导体型晶片结合技术，集电器基板材料也不要求是半导体级的，而可包括多晶或冶金级材料。
图5一般性描述了可以包括制造双极电池集电器组件的工艺技术500，例如方法。在502，可以提供导电集电器基板。例如，导电集电器基板可以包括硅晶片，如本文关于其他实施例所描述的。在504，可选择地，对集电器基板可以进行处理或修饰。例如，可以在导电集电器的一个或更多表面上形成欧姆接触层(例如金属硅化物)。在506，可以提供非金属支撑件，例如包括图3A或图3B所示作为说明性实施例的支撑框架结构。在508，非金属支撑框架可以，例如使用粘合剂，结合到集电体基板。作为说明性实施例，可以使用晶片接合粘合剂或工艺，以将不导电的支撑框架附着到集电器基板。在一个实施例中，支撑框架可以提供边缘密封环。
塑料支撑件和包括集电器和其他层体的双板的形状是可以变化的以适应不同的双极工艺技术。本文描述的说明性实施例通常涉及使用半导体级晶片结合将双极电池集电器密封到它们各自的壳体。术语“半导体级”一般可以用来指代晶片结合技术，但是材料和工艺过程不必严格按照常用半导体处理中使用的条件。例如，即使采用半导体型晶片结合技术，集电器基板材料也不要求是半导体级的，而可包括多晶或冶金级材料。
导电集电器的说明性实施例，例如用作双极电池的一部分，以及例如可以包括各 种边缘密封构造
此处的实施例包括，除了其他方面，含硅的集电器及其制造，例如用于双极铅酸电池。硅是丰富的，并且可以使用半导体或太阳能制造技术经济地制造用作集电器一部分的硅基板。各种不同的工艺可以用来制造硅晶片并且改变硅晶片的电学和化学特性。
图6A和图6B一般性描述了可以包括制造双极电池集电器组件的技术(例如方法)的视图，包括图5中的平面图以及图6B的剖视图。例如，在604，可以提供或形成导电硅基板。作为说明性实施例，半导体晶片的制作可以采用电子级硅，通常为9N至11N纯度(杂质含量小于十亿分之一)，例如具有大致圆形的几何形状，直径包括200毫米或300毫米或更大。作为说明性实施例，太阳能级晶片通常具有6N至9N的纯度(杂质含量为百万分之一)，并且可以包括方形几何形状，例如可用标准尺寸为125毫米或156毫米。用作双极铅酸电池的集电器，升级的冶金级(5N至6N)或者甚至是冶金级硅(>98％纯度)可以具有足够的纯度以保持用作集电器基板的硅的期望特性。
未掺杂的高纯度硅通常表现为半导体，但是硅可以被掺杂以降低其电阻率从而提供导电基板。例如，掺杂约百万分之50重量百分比硼的太阳能硅，例如在铸锭过程中，可以将硅电阻率降低到约5毫欧-厘米(mΩ-cm)。硅的纯化通常涉及去除杂质，但是作为双极集电器的用途，可以使用掺杂剂来降低硅的电阻率。在使用升级的冶金级(UMG)或冶金级(MG)硅的实施例中，为了达到可接受的导电率，不一定需要添加掺杂剂。
作为说明性实施例，铸锭可以在炉中用UMG或MG硅铸造。常用的硅锭可具有86×86×26厘米(例如“G5”大小)或105×105×30厘米(例如“G6”大小)的尺寸。铸锭可以被锯成块件或其他单元，例如具有对应于至少一个晶片尺寸的大小。在集电器至少部分地基于最终电池组件的特定能量或者例如符合一种或多个种工业标准电池尺寸的场合，可以使用方形或矩形晶片。作为说明性的实施例，G5铸锭可被切割成尺寸为146×190×250毫米(mm)的20个块件，例如用于制造U1尺寸铅酸电池，或者尺寸为173×240×250毫米的12个块件，从而根据Battery Council International(BCI)制定的组别大小制造GC2大小的电池。
硅块可被切割成薄基板(例如晶片)，例如使用浆液锯或金刚石线锯。作为说明性实施例，约200至约1000微米的晶片厚度适合作为双极铅酸电池的集电器。集电器的基板通常无助于存储容量，因此较薄的晶片可以提供减轻的重量。然而，较厚的晶片具有更高的机械强度。机械坚固性和晶片薄度之间可能存在折衷。例如，可以从约450至700微米的范围选择晶片厚度，在机械强度和重量之间获得折衷。
硅晶片可被加工为除去表面污染物或使晶片表面纹理化的一种或多种形式以供进一步处理。可以采用其他场合对半导体或太阳能晶片进行处理的清洁方法。在一个实施例中，可以使用“RCA”清洁工艺来从晶片表面去除有机和金属污染物(例如参见W.Kern andD.A.Puotinen:RCA Rev.31(1970)187)。在另一个实施例中，可以使用氢氧化钾作为蚀刻剂来处理使晶片表面形成纹理。在一个实施例中，氢氧化钾用来在不同的温度和浓度下进行清洁，可以用来实现硅晶片的特定表面结构和化学性质。
在一个实施例中，可以在硅晶片的一侧或两侧上限定边缘排除区域，以便后续进行边缘密封。为了限定边缘排除区域，可以掩蔽晶片以暴露边缘排除区域，并且排除区域中的硅可以通过热氧化进行修饰以提供二氧化硅，或通过硝化来提供氮化硅，或通过化学气相沉积处理以提供碳化硅。修饰边缘排除区域的其他方法包括机械粗化或抛光处理。
为了保护硅晶片表面免于诸如在表面上形成不希望的绝缘氧化硅层的氧化作用，可以在晶片的一个或两个大表面上(例如在606)形成欧姆接触层。一种或多种的金属硅化物可以用作欧姆接触层，例如用来实现低电阻，对硫酸腐蚀的抵抗性，以及涉及电池化学性质的电化学稳定性。金属硅化物可以通过直接共溅射沉积在硅表面上，不过也可以使用其他方法。例如，可以使用金属沉积操作，例如接着进行退火处理。在金属沉积操作中，可以在硅晶片的一侧或两侧上沉积例如具有选自于约50纳米至约200纳米范围厚度的金属薄层。所述金属薄层可以通过例如物理气相沉积、化学气相沉积或电镀的方法沉积到硅晶片表面上。
在退火操作中，金属涂覆的晶片可被加热到高温，使得金属与下面的硅反应以在硅表面上形成金属硅化物层。当硅被消耗并且被结合到硅化物层中时，金属硅化物欧姆接触层与晶片上的硅融合。退火可以在诸如如氮(N2)或氩(Ar)的惰性气氛下进行。可以使用半导体或太阳能制造设备，包括管式炉、快速热处理(RTP)系统或传送带式炉。可以使用许多过渡金属来形成硅化物，包括一种或多种的钛(Ti)、铬(Cr)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钯(Pd)、钽(Ta)、钨(W)和铂(Pt)。
根据说明性实施例，50纳米的钛可以通过物理气相沉积法沉积于硅晶片的两侧，接着在氮气中退火至800℃达5分钟以形成约120至约130纳米的二硅化钛(TiSi2)。钛在氮气环境下退火导致在表面上形成非常薄的氮化钛(TiN)层。晶片可以用热的过氧化氢(H2O2)清洗，以从表面选择性地去除氮化钛。
在说明性实施例中，50纳米的镍可通过物理气相沉积法沉积于硅晶片的两侧。镍膜在氮气中退火至450℃达5分钟，以在硅晶片上形成110至120纳米的硅化镍(NiSi)。然后用稀氢氟酸(HF)或氟化氢铵(NH4HF2)清洁硅化镍表面。镍薄膜也可以通过电镀沉积。
在说明性实施例中，50纳米的钽(Ta)可以通过物理气相法沉积于硅晶片的两侧，随后在在氮气中退火至800℃达5分钟，以形成120纳米的二硅化钽(TaSi2)。所述表面可以用热过氧化氢或缓冲氧化物蚀刻来清洁，然后做进一步处理。
在说明性实施例中，50纳米的钨通过物理气相沉积法沉积于硅晶片的两侧，接着在氮气中退火至800℃达5分钟，以形成二硅化钨(WSi2)。然后用过氧化氢(H2O2)选择性蚀刻未反应的表面钨金属(W)。
根据说明性实施例，例如在608，硅晶片可以在欧姆接触形成之后进行边缘密封。在双极电池中，每个单元腔室通常与其邻近的密封以防止电解质泄漏，其会导致单元间短路。在边缘密封操作中，硅晶片集电器可以结合到由与电池制造工艺相容的材料制成的边缘环。例如，边缘环可以是离子是不可渗透的电绝缘体，并且可以形成密封结构的一部分。边缘密封材料的实例包括塑料、陶瓷、玻璃或一般提供上述特性的复合材料。在一个实施例中，晶片可以通过分子间力直接结合到边缘环。在一个实施例中，晶片通过在受控的温度和压力下施加粘合剂而粘合到边缘环。也可以使用其他的晶片结合技术，包括但不限于等离子体激活结合、玻璃料结合和阳极结合。
在610，可以在晶片的金属硅化物表面上沉积粘附层，例如以便促进活性材料粘附到硅晶片集电器的表面。边缘密封可以排除在晶片边缘周围的粘合层沉积，其可能导致晶胞间短路。在一个实施例中，晶片可以依次在包括稀释的氢氟酸(HF)、缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)或氟化氢铵(NH4HF2)的溶液中进行清洗，以及具有约10至100微米厚度的金属铅(Pb)可以通过电镀沉积在晶片的两侧。
在一个实施例中，诸如具有约0.5至约2％锡浓度的铅-锡(PbSn)合金可以用作粘合层。电镀可以通过使用例如基于氟硼酸盐浴的化学工艺或者基于甲磺酸盐浴的化学工艺来完成。在一个实施例中，铅或铅锡可以用于粘合层，作为正的或负的活性材料之一种或多种。例如，铅或铅-锡可能仅用于晶片的负极侧。在这样的实施例中，可以使用二氧化铅(PbO2)或二氧化铅-铅(PbxSn1-xO2)来提供对正的活性物质的粘附作用。
在一个实施例中，诸如具有约50微米至约100微米厚度的铅(Pb)箔可以被附着在集电器的一个或更多金属硅化物表面，例如使用热量和压缩力的组合。还可以使用包括铅锡(PbSn)和铅钙锡(PbCaSn)的金属合金。在一个实施例中，可以在集电器的一个或更多金属硅化物表面上沉积约1微米至10微米厚度的铅或铅锡，例如随后热压在硅晶片集电器上的约50微米至约100微米的铅(Pb)或铅-锡(PbSn)或铅-钙-锡(PbCaSn)箔片。
图7A、图7B、图7C、7D一般性描述了施加到导电硅基板的各种金属硅化物材料层(例如用作双极电池集电器组件的一部分)的入射X射线衍射(XRD)光谱图。
有些硅化物具有不同性质的多个相。但是，不同的硅化物相可能具有不同的退火温度。例如，钛形成两种不同的硅化物C49-TiSi2和C54-TiSi2。镍形成三种不同的硅化物，Ni2Si、NiSi和NiSi2。在形成欧姆接触层之后，可以使用X射线衍射来确定优选的硅化物相。图7A、图7B、图7C、7D分别示出二硅化钛(TiSi 2)、硅化镍(NiSi)、二硅化钽(TaSi2)和二硅化钨(WSi2)的X射线衍射谱图。
图8A、图8B、图8C、图8D一般性描述了，例如用作双极电池集电器组件的一部分，施加到导电硅基板上的各种金属硅化物材料层的循环伏安谱图。
用硅化物对硅晶片表面的金属化作用能够保护表面免于氧化并保持表面的导电性，并且，本发明人还认识到金属硅化物还是电化学稳定的。利用循环伏安法对硅表面上的几种金属硅化物进行了研究，其中对金属硅化物(工作电极)的电位相对于硫酸汞参比电极进行了扫描，并且在金属硅化物表面由电化学反应产生的电流是采用石墨对电极来测量的。
图8A、图8B、图8C和图8D所示由实验获得的循环伏安谱图显出二硅化钛(TiSi 2)、硅化镍(NiSi)、二硅化钽(TaSi2)和二硅化钨(WSi2)具有稳定的电化学性能，由表面电化学反应的极低测量电流的宽电位窗口得以证明。尤其是，所有金属硅化物在铅酸电池化学操作范围之外具有氧和氢析出超电势。
包括导热肋的说明性实施例
双极电池结构的简单电流路径大大降低了通路电阻并提高了材料利用率，从而允许更深的循环而不损坏活性材料。在高功率应用下运行的电池产生相当大的热量，并且这样的热量产生可能在更高温度的周围环境或其他恶劣环境(例如可再生能源备份)条件下加剧。
诸如电池的储能设备的用途越来越多。历史上，可充电二次电池用于移动应用，其中电流和功率要求在周期与周期之间通常是非常一致的。现代混合动力/电动汽车和可再生能源系统对电池制造商构成独特的挑战，这些应用常常涉及用于短脉冲的较大且重复的功率输送，但是仍然涉及在这种脉冲功率事件之间的稳定电流消耗。另外，现代电信站和数据中心通常包括大量的电池以保持缓慢充电以备在断电情况下提供能量。这数据中心许多都位于高温环境，给电池造成苛刻的条件。所有这些电化学存储过程都会产生一个共同的问题：热量累积。电池通常具有最有效运行的温度范围。在规定温度范围之外的操作可能会导致过早退化，最糟的情形是导致热散逸的失控。
双极电池已经成为对付现代电池系统特殊的苛刻运行周期的主要选择手段。双极电池可以提供简单、低电阻的配置，以及通过电池的串联叠合体可以设定或选择电压的便利条件，从而非常适合于高功率高效输送的用途。双极电池能够包括可高度压缩的薄的活性材料层以提供上述这些优点，并且能够在苛刻的占空比下提高循环寿命。较薄的活性材料层在高功率循环期间受到的应力较小，并且在由于压缩效应而处于非活性期间的降解也较低。例如，与其他构造相比，双极铅酸电池在待机期间显示出远小的硫酸化作用以及在高功率运行期间较少的活性物质脱落。然而，双极电池也具有高电池单元密度用来提高能量密度。与其他电池构造相比，双极构造中单位体积的电池单元数目较大，可能导致在苛刻的周围环境中产生显著热量的挑战。在双极电池结构中，如果活性材料内部产生的热量没有通过合适的途径传递到外部，则可能直接进入下一电池单元。在密封的双极铅酸电池中，这种邻近电池之间的热耦合可能特别具有破坏性，因为重组反应通常随着电池温度的升高而增加。此外，负的活性材料可以产生相当于正的活性材料的热量的两倍。当正的和负的活性材料区域彼此直接相对放置时，两者之间除了薄的双板没有其它，反应可以基本上相互递送，从而引起或承受热散逸的失效情形。
有各种不同的方式可以用来解决电池中的散热问题。在一种方式中，各个电池单元可以耦合到实时监控电池温度的控制系统，并调节充电或放电特性以补偿加热，例如抑制或减少加热。可惜的是，这种闭环控制方式是复杂且昂贵的方案，并不适用于所有的场合。即使是通常严格控制电池使用的场合，例如包括用于中心办公设施的备用电源在内的电信用途，可以获益于在不用闭环控制系统的情况下使用能够更好调节温度的电池。控制系统能够帮助确保永远不会发生热散逸，但是这样的控制系统也会为了限制系统的热稳定通过切断充电或放电而导致对电池潜在有效性产生限制作用，这是以效率或峰值容量为代价的。对于终端用户来说，能够被动承受更长时间供电的电池通常更具吸引力。本发明人已经认识到，除了别的以外，传热特性的被动改进可以消除或减少对进行热量管理的闭环控制的需求。替代地或者另外地，与其他电池构造缺乏改进的散热能力相比，当与闭环控制一起使用时，被动散热性能的改进可以提供增强的效率或峰值功率容量。
在一种方式中，热交换器可以被包括在电池内。活性材料本身可以被包含在壳体中，然后所述壳体将被另外的壳体所包围。在这些壳体壁之间，可以注入流体。这种流体通常能够阻止过量的环境热量进入装置。其次，所述流体通常为来自活性材料的热量提供热量吸收效果。使用充满流体的空腔会增加电池组的重量和尺寸，并可能由于提供潜在的泄漏源而增加电池的脆弱性。
在另一种方式中，电池壳体可以包括用于空气流动的设定通道。例如，每个电池单元通过气隙与其他单元分开。外部风扇然后可以迫使空气通过这些通道并冷却电池，而不需要电池本身内的任何额外的重量。这可能是一种简便的解决方案，但可能并非完全适用于双极电池。双极电池的组装效率是提供优异能量密度的一个因素。在壳体内增加空隙可以降低这种能量密度。另外，双极电池依靠空间上较短的电流路径和较大的集电器表面积来提供高功率。壳体内的腔隙空间可能使电流路径复杂化或增加阻力，因此与没有这种腔隙空间的其它构造相比，具有空隙构造的双极电池可能效率较低。
在另一种方式中，传导性凝胶可以安装在吸收垫铅酸电池内的活性材料板和壳体壁之间。可以使用具有传导性单元芯体的电池。所述传导性芯体可以将热量从活性材料的中心直接带到端子所在的金属带上。在另一种方式中，壳体可以被构造成使得双板被引到离外壁几毫米之内，以增加可能向环境传热的量。这对于双极电池可能是有用的，由于能够将从双板抽出的热量直接从电池的正的和负的活性物质中移除。
上述所有方式都不能单独提供全部解决方案。二氧化硅传导性膏体可以用于单极电池构造，但二氧化硅也是导电性的。在双极电池中，使用二氧化硅可能在相邻电池之间导致电性短路。传导性芯体的方式可能适合于单一单元电池，但可能对双极配置具有挑战性。例如，如果将设备放置在诸如电池架的传导性表面上，则到电池边缘的热量和电流路径将导致立即短路。电流将立即从一个单元流到下一个单元并绕过活性材料。
如上所述，有可能将双极电极移动尽量靠近壳体壁，但是当壳体包括同质聚合物时，即使在短距离内仍然具有显着的热阻。这种热阻可被放大，由于许多聚合物(例如塑料)存在不明确的传热路径。产生的热量趋于散布在整个塑料中(例如体量散开)，而不是走向较冷的环境。此外，当双板被设置在离外部非常近的地方时，就容易受到可能造成破裂的冲击应力，从而导致电池失效。
本发明人已经认识到，除了别的以外，双极电池在提供改进的热传递方面，如果不引起性能下降或导致壳体弱化，仍然存在问题，而本发明人在本文描述了这样的解决方案。例如，为了取代复杂的热交换器或添加剂材料，电池壳体本身可以包括促进热能有效交换(例如耗散)的材料。具体地说，高导热材料可以沿着电池组件的长度设置为肋条，比如对每个集电器都包括一个。这样的肋条可以朝向集电器向内延伸，同时留下间隙以确保电流不会从电池流到其外部。这种间隙可以填充电绝缘材料，例如热塑性塑料。所述热塑性塑料或其它电子阻挡层可以减少或抑制跨接间隙的电流，然而，与其他方法相比，所述间隙的尺大小和形状可以涉及成允许热能合理高效地移过。
还有，本发明人还认识到，除了别的情形以外，可以提供柔性且牢固的双极电池组件，例如使用沿着分段电池叠合体的导热肋。通过将电池组件分成单独的、相同的(或几乎相同的)电池单元，电池组件可以是模块化的并且具有多种变化的电压。在每个集电器周围使用肋条有利于对每个肋条进行密封。这种肋条则可以被密封到包括电解质储存器的塑料壳体。整个电池组件，根据说明性实施例，可以仅使用三个或四个不同的子组件来制造。减少子组件的变化可以帮助降低制造成本，同时更容易针对特定用途来调整电池的热学性能。本发明人还开发了，除了别的情形以外，各种密封实施例，其可以与本文所述的肋结构组合。肋条可以为集电器提供额外的结构和保护，并允许使用更薄的材料以及进一步降低内部电阻。
图9所示的透视图900一般性描述了导热肋940，其可以布置在集电器的部分或全部周围以提供集电器组件，从而用于双极电池中。导热肋940可以布置在双极电池中的集电器周围，例如通过隔件与导电基板分开。导热肋940可以由诸如金属或纤维融合塑料的高导热材料制成。
图10一般性描述了可以包括导热肋1040的壳体结构的剖视图1000。诸如导电硅基板1004的集电器基板可以被与框架1042结合。框架1042可以包含非导材料，从而在基板1004和导热肋1040之间提供电阻障碍。在基板1004和导热肋1040之间位置的框架1042的厚度可被设定为例如不超过约3毫米(mm)，从而确保导热肋1040的有效热传递。这三个元件然后可以结合到一个或更多的壳体部段，例如壳体部段1022，例如包括热塑性材料。包括焊接、热性密封或粘性结接的工艺可以用来提供部件之间的气密配合。在一个实施例中，框架1042可以包括一个或更多支撑框架或边缘密封件，如本文其他实施例中所述。
在图9和图10的说明性实施例中，导热肋940和1040被显示具有矩形横截面。在其他实施例中，例如当电池被置于强制对流下时，肋条的表面积可以增加，如图3所示。例如，可以沿着垂直边缘形成锯齿状表面，可以略微伸出壳体壁(例如，突出超出由一个或更多壳体部段限定的外表面)。如果空气在电池周围循环或穿过，与上述使用的矩形横截面相比，这种增加的表面积会导致更大的热传递，从而在非常苛刻或高温环境下提供增强的热传递。有许多其它可能的横截面形状是可用的。
回头参考图1，不管导热肋1040的外形或特征如何，导热肋1040可以与导电基板1004电导性隔离，例如利用大约3mm的电性绝缘材料。为了提供这种隔离作用，通常设置导热肋(其也可以是导电的)以避免物理接触集电器基板。这种没有介入材料的物理接触可能会形成通到电池外部电流通路，从而如果电池被放置在导电体上就可能造成灾难性的短路。集电器和肋条之间的电性绝缘材料可以包括热塑性聚合物或陶瓷材料或其组合。所述材料可以具有特定的热导率，使得在基板1004和肋1040之间的空隙中不会出现不均匀的热量。为了确保有效的热传递，诸如用于印刷电路板的将电性部件热结合到散热器或印刷电路热垫的导热浆料可被施加在导热肋1040和框架1042之间。相应的双极集电器组件可以被组装在一起以提供电池组件，如图1所示。
图11一般性描述了双极电池组件1100的透视图，例如可以包括如本文关于其他实施例所示出和描述的壳体构造。电池组件1100的骨架可以至少部分地利用交替的壳体环(例如壳体段1122)和导热肋(例如包括导热肋1140)并且包括封闭的集电器基板来提供。通过连续叠合体这些部件，可以设置具有特定电压的电池组，并获得足够的机械完整性。在该说明性实施例中，电池组件包括18个单独的单元。电池的端部的特征为端盖(例如端盖1150)，其可以具有与壳体部段相同的材料(例如热塑性塑料)。也可以有金属端子，例如端子1130。
通过模拟和实验，本发明人认识到，除了其他情形之外，在双极电池集电器周围使用导热肋可能使内部温度，相较于在40℃环境温度无强制对流的正常波动运行状态，低大约5℃。而且，已经证明这种肋条在温度波动时能够稳定电池性能，并且，与缺乏这种肋结构的构造相比，使双极电池保持较高的库仑效率。这种效率可以部分通过在电池叠合体内形成更为均匀的温度来提供。
在没有任何热交换辅助的情况下，电池叠合体的位于中心的部分达到最高温度。这种温度梯度可能随着因增加更多电池单元而提高的电池电压变得更为明显。由于电池密度的缘故，热量更容易通过集电器并沿着电池流动，而不是通过周边向外进入环境。在电池的中央区域，本发明人已经认识到，在没有传热特征的情况下，难以形成有效地将热一直传递到端盖的构造，因此传热受到阻碍并且形成局部温度的升高。导热肋允许更多的热传递到外部，使得电池在更稳定的温度下运行(例如，在沿着电池组件的外部或者在电池组件的容积内部的一种或多种情形，平衡温度更为均匀)。由于串联连接，这种热传导的增强以及温度梯度的降低可以通过稳定效率并且使得活性材料更均匀老化而大大延长电池寿命。
电池中的热散逸条件和热稳定条件之间的差异可以通过内部平衡温度的仅几摄氏度的差值来确定。热散逸几乎可能对任何电池的化学反应造成破坏，其起始通常可以由电池达到可自我维持的反应水平的内部温度来定义。更具体地说，当活性材料内的电化学反应达到与温度无关的速率时就会发生热散逸。电池温度通常会继续增加，无论周围环境如何。发生热散逸的转变的阈值可以通过能够随周围环境提供增强热交换的电池壳体来进行调整。
在集电器周围使用独立的肋条使得双极电池组件具有整体简单性。跨越集电器周边的肋条必然会使组件变得简单，这导致活性材料的处理操作更为简便。例如，回头参考图图10，如果集电器基板1004、电阻框架1042和导热肋1040连接在一起成为单一组件，则集电器组件本身对于所有工艺过程都会被加强。如在别处所提及的，框架1042可以采用不同的几何形状，如上文其他地方所述。
如果集电器是诸如导电基板或晶片的易碎材料，则可以采用肋1040或框架1042的结构之一种或多种来保护边缘免受冲击。这可以便于使用不那么专门的处理设备，从而降低电池的总体成本，即使集电器可以包括诸如硅的易碎或脆性材料。这些部件被密封在一起的方式可以部分地由用于电池组件的材料系统来确定，但是假设框架1042由塑料制成而导热肋1040由碳复合材料或其他材料制成，并且使用低成本的塑料焊接工艺。然后，可以将完成的基板-框架-肋组件组装(例如密封)到壳体部段，例如壳体部段1022。相邻的壳体部段和基板-框架-肋组件可以限定密封的电解质储液器。
双极电池以上文概述的方式组装可以具有一方面或多方面的优点。首先，组件子组件的基本简单特性使得这些组件能够被多次(例如重复)使用用来提供电池组件。这降低了整体材料成本，并使组装操作更为简便。直接围绕集电器基板对电池进行密封可以增强电池在结构上脆弱或易损的部位，从而使得组件更能经受冲击和振动。第三，对集电器组件和活性材料壳体的分离作用允许通过在组装时将不同数量的部件叠合起来从而改变整体电池电压。双极电池非常适合电力用途，在这些环境中使用本来的电池而无需复杂的电池管理系统的可行性使得系统成本降低，同时保持相同(或提高)程度的整体安全性和可靠性。
肋1040可以使用具有高导热率的材料制造，并且可以提供良好的耐腐蚀性以抵抗环境侵袭和来自电池本身的化学侵蚀。肋材料可以设定为在现有电池化学物流条件下易于循环利用。作为说明性实施例，例如对于铅酸化学的用途，金属肋可以采用316不锈钢或哈氏合金B制作。铝可能不太理想，由于相关循环物流的复杂性，尽管这样还是能够提供较高的热导率。导电碳复合物也可以使用，例如包含为了增强热传递的纤维。不管材料如何，导热肋的尺寸和形状可以被设定，例如提供较大的表面积以增强与周围环境的热交换作用。导热肋的形状可以根据周围环境状况采用多种形式。
图12一般性描述了电池组件的一部分的顶视图1200，例如在终端区域附近。在导热肋1240是导电的以及导热的实施例中，电绝缘隔件1242可以设置在导热肋1240和导电电池端子1230之间。这是为了确保充分的电性隔离，从而防止电池被放置在导电表面而发生短路。在视图1200中，导热肋并不是限定在单个平面而是在端子1230附近区域横向“晃”一下，例如包括能够容纳隔件1242的内凹。在端子1230位于电池组件端部的实施例中，端盖壳体部段1250可以位于导热肋1240的一个表面上，而壳体部段1222或壳体的其他部分可以位于与端盖壳体部段1250相对的表面上。
图13一般性描述了导热肋1340另一实施例的透视图1300，其中与图1的实施例相比具有增加的朝外的表面积。与不带锯齿的轮廓相比，用于导热肋1340的锯齿状轮廓能够改善强制对流下的热交换。
图14一般性描述了可以包括制造双极电池集电器组件的工艺1400，例如方法。在1402，可以提供导电集电器基板，例如使用本文其他地方一个或更多实施例中描述的工艺。在1404，可选择地，集电器基板可以被处理或修饰，例如通过形成一个或更多薄膜层。在1406，导电集电器基板可以例如使用框架或边缘密封环(或作为隔件的其它结构)热耦合到导热肋。在1408，例如，框架或边缘密封环或隔件可以将导电集电器基板与导热肋片电导性隔离，同时仍然引导热量从基板传递到肋条。
注释和实施例
实施例1可以包括或使用主题(例如装置、方法、用于执行动作的手段、或包括当由设备执行时能够使设备执行动作的指令的设备可读介质)，例如能够包括或使用诸如用于双极铅酸电池的集电器组件，其包括导电硅基板和结合到所述导电硅基板的框架，所述导电硅基板包括一个或更多薄膜，其使所述导电硅基板的表面在存在铅酸电解质化学作用的情况下具有导电性且电化学稳定，其中所述框架和所述导电硅基板之间的界面被气密地密封。
在实施例2中，实施例1的主题可选择地包括壳体部段和导热肋，所述导热肋结合到所述壳体部段和所述框架，其中所述框架形成隔件，其将所述导热肋与导电硅基板电性隔离。
在实施例3中，实施例1至2中任一或更多所述的主题可选择地包括：所述框架包括支撑框架。
在实施例4中，实施例3所述的主题可选择地包括：所述支撑框架结合到双极电池壳体的壳体部段。
在实施例5中，实施例1至4中任一或更多所述的主题可选择地包括：所述框架包括围绕所述导电硅基板的表面整个周边延伸的边缘密封件。
在实施例6中，实施例1至5中任一或更多所述的主题可选择地包括：所述框架在所述导电基板上限定边缘排除区域。
在实施例7中，实施例6所述的主题可选择地包括：通过所述边缘密封件所述一个或更多薄膜的沉积在所述边缘排除区域被抑制。
在实施例8中，实施例1至7中任一或更多所述的可选择地包括：所述一个或更多薄膜中的薄膜包括在所述导电硅基板的至少一个表面上形成的金属硅化物。
在实施例9中，实施例8所述的主题可选择地包括：所述金属包括钛(Ti)，铬(Cr)，铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)，铜(Cu)，锆(Zr)，铌(Nb)，钼(Mo)，钯(Pd)，钽(Ta)，钨(W)，或铂(Pt)。
在实施例10中，实施例8至9中任一或更多所述的主题可选择地包括：其中在所述金属硅化物上沉积有附加的膜以促进活性材料的粘着。
在实施例11中，实施例10所述的主题可选择地包括：所述附加的膜包括铅金属(Pb)或铅锡合金(PbSn)。
在实施例12中，实施例1至11中任一或更多所述的主题可选择地包括：所述框架由晶片粘合剂结合到晶片。
在实施例13中，实施例1至12中任一或更多所述的主题可选择地包括：所述框架包含塑料、陶瓷或复合材料。
实施例14可以包括或可以可选择地组合实施例1至13中任一或更多所述的主题，以包括或使用主题(例如装置、方法、用于执行动作的手段、或包括当由设备执行时能够使设备执行动作的指令的设备可读介质)，例如可以包括诸如用于双极铅酸电池的壳体组件，其包括：导电硅基板；与所述导电硅基板结合的隔件，所述导电硅基板包括一个或更多薄膜，其使所述导电硅基板的表面具有导电性且电化学稳定；壳体部段；和导热肋，所述导热肋结合到所述壳体部段和所述隔件，其中所述隔件使所述导热肋与导电硅基板电性隔离。
在实施例15中，实施例14所述的主题可选择地包括：所述一个或更多薄膜中的薄膜包括在所述导电硅基板的至少一个表面上形成的金属硅化物。
在实施例16中，实施例13至15中任一或更多所述的主题可选择地包括：所述金属包括钛(Ti)，铬(Cr)，铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)，铜(Cu)，锆(Zr)，铌(Nb)，钼(Mo)，钯(Pd)，钽(Ta)，钨(W)，或铂(Pt)。
在实施例17中，实施例15至实施例16中任一或更多所述的主题可选择地包括：在所述金属硅化物上沉积有附加的膜以促进活性材料的粘着。
在实施例18中，实施例17所述的主题可选择地包括：所述附加的膜包括铅金属(Pb)或铅锡合金(PbSn)。
实施例19可以包括或可以可选择地组合实施例1至18中任一或更多所述的主题，以包括主题(例如装置、方法、用于执行动作的手段、或包括当由设备执行时能够使设备执行动作的指令的设备可读介质)，例如可以包括作为用于双极铅酸电池的集电器的方法，所述方法包括：将框架结合到导电硅基板；采用一个或更多薄膜修饰导电硅基板，所述薄膜使使所述导电硅基板的表面在存在铅酸电解质化学作用的情况下具有导电性且电化学稳定；其中所述框架和所述导电硅基板之间的界面被气密地密封。
在实施例20中，实施例19所述的主题可选择地包括：所述框架包括围绕所述导电硅基板的表面整个周边延伸的边缘密封件。
在实施例21中，实施例19至20中任一或更多所述的主题可选择地包括：其中所述框架在所述导电基板上限定边缘排除区域。
在实施例22中，实施例21所述的主题可选择地包括：通过所述边缘密封件所述一个或更多薄膜的沉积在所述边缘排除区域被抑制。
在实施例23中，实施例19至22中任一或更多所述的主题可选择地包括：所述框架通过分子间力直接结合到所述导电硅基板。
在实施例24中，实施例19至23中任一或更多所述的主题可选择地包括：所述框架在压力和高温下用粘合剂结合到所述晶片。
在实施例25中，实施例19至24中任一或更多所述的主题可选择地包括：采用等离子体激活结合(plasma activated bonding)、玻璃料结合(glass frit bonding)或阳极结合(anodic bonding)中的一种或更多方法，结合到所述晶片。。
上述详细描述包括参照附图的内容，而附图也成为详细描述的一部分。附图以说明的方式显示在所指的具体实施方式中可实施本发明的内容。这些具体实施方式在本文中也被称为“实施例”。这些实施例可包括本文所示或所述之外的元素。然而，本发明人也考虑到了只有本文所示或所述元素的实施例。此外，本发明人还考虑利用所示或所述的这些元素(或其一个或更多方面)的任何排列或组合的实施例，无论是有关本文所示或所述的具体实施例(或一个或更多方面)还是有关其他的实施例(或一个或更多方面)。
在本文与任何其他在此通过参考引用并入的文件存在不一致用法的情形，所述用法以本文为准。
在本文中，词语“一”(“a”或“an”)，如专利文献中所常见，被用来表示包括一个或多于一个，独立于“至少一个”或“一个或更多”的其它用法。在本文中，术语“或”是用来指非排他性的关系，例如“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”，除非另有说明。在本文中，词语“包括(including)”和“在其中(in which)”作为通俗英语是用来分别等同于词语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”。另外，在后述的权利要求书中，词语“包括(including)”和“包括(comprising)”是开放的，也就是说，系统、装置、物品、组成、配方或方法，包括在一项权利要求中列于这些词语之后以外的要素仍被视为落在该权利要求的范围。此外，在后述的权利要求书中，词语“第一”，“第二”和“第三”等仅仅是用来作为标注，并不是用来对它们的客体进行排序限定。
本文所述的方法实施例可以至少部分地是利用机械或计算机来实现的。有些实施例可以包括计算机可读媒介或者具有指令编码的计算机可读媒介用来配置电子装置去执行上述实施例中所述的方法。所述方法的实现可包括代码(例如微代码)、汇编语言代码、高级语言代码等等。所述代码可包括用以实施各种方式的计算机可读指令。所述代码可构成计算机程序产品的一部分。此外，在一种实施例中，所述代码，比如在执行期间或其他时候，可以被有形地存储在一个或更多可变的、非短暂性的，或非可变的有形计算机可读媒介。这种有形的计算机可读媒介包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如压缩盘和数字视频盘)、磁带盒、存储卡或棒、随机存储器(RAMs)、只读存储器(ROM)等等。
以上的描述是用来进行说明而不是限制性的。例如，上面描述的实施例(或其一个或更多方面)可彼此结合来应用。也可以，例如当本领域普通技术人员阅读了前面的描述之后，采用其他的实施方式。说明书摘要是按照37C.F.R.§1.72(b)的要求使读者能迅速的确定所公开技术的性质，应当理解，其不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。另外，上述详细说明部分，不同的特征可以组合起来便于叙述。不应解读为是指没有要求保护但已被公开的技术特征对于任何权利要求项是必不可少的。而是，发明的技术方案可以基于少于具体公开的实施方案的全部特征。因此，下述权利要求书被结合到实施例和具体实施方式中，每个权利要就本身来说作为单独的实施方式，并且可以理解这样的实施方式可以通过各种组合和排列的形式进行组合。本发明的范围的确定应当参考所附权利要求书以及与权利要求书定义等同的全部范围。

Claims (25)

1.一种用于双极铅酸电池的集电器组件，包括导电硅基板和结合到所述导电硅基板的框架，所述导电硅基板包括一个或更多薄膜，其使所述导电硅基板的表面在存在铅酸电解质化学作用的情况下具有导电性且电化学稳定；
其中所述框架和所述导电硅基板之间的界面被气密地密封。
2.根据权利要求1所述的集电器组件，包括壳体部段和导热肋，所述导热肋结合到所述壳体部段和所述框架，其中所述框架形成隔件，其将所述导热肋与导电硅基板电性隔离。
3.根据权利要求1所述的集电器组件，其中所述框架包括支撑框架。
4.根据权利要求3所述的集电器组件，其中所述支撑框架结合到双极电池壳体的壳体部段。
5.根据权利要求1所述的集电器组件，其中所述框架包括围绕所述导电硅基板的表面整个周边延伸的边缘密封件。
6.根据权利要求1所述的集电器组件，其中所述框架在所述导电基板上限定边缘排除区域。
7.根据权利要求6所述的集电器组件，其中通过所述边缘密封件所述一个或更多薄膜的沉积在所述边缘排除区域被抑制。
8.根据权利要求1所述的集电器组件，其中所述一个或更多薄膜中的薄膜包括在所述导电硅基板的至少一个表面上形成的金属硅化物。
9.根据权利要求8所述的集电器组件，其中所述金属包括钛(Ti)，铬(Cr)，铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)，铜(Cu)，锆(Zr)，铌(Nb)，钼(Mo)，钯(Pd)，钽(Ta)，钨(W)，或铂(Pt)。
10.根据权利要求8所述的集电器组件，其中在所述金属硅化物上沉积有附加的膜以促进活性材料的粘着。
11.根据权利要求10所述的集电器组件，其中所述附加的膜包括铅金属(Pb)或铅锡合金(PbSn)。
12.根据权利要求1所述的集电器组件，其中所述框架由晶片粘合剂结合到晶片。
13.根据权利要求1所述的集电器组件，其中所述框架包含塑料、陶瓷或复合材料。
14.一种用于双极铅酸电池的壳体组件，包括：
导电硅基板；
与所述导电硅基板结合的隔件，所述导电硅基板包括一个或更多薄膜，其使所述导电硅基板的表面具有导电性且电化学稳定；
壳体部段；和
导热肋，所述导热肋结合到所述壳体部段和所述隔件，其中所述隔件使所述导热肋与导电硅基板电性隔离。
15.根据权利要求14所述的壳体组件，其中所述一个或更多薄膜中的薄膜包括在所述导电硅基板的至少一个表面上形成的金属硅化物。
16.根据权利要求13所述的壳体组件，其中所述金属包括钛(Ti)，铬(Cr)，铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)，铜(Cu)，锆(Zr)，铌(Nb)，钼(Mo)，钯(Pd)，钽(Ta)，钨(W)，或铂(Pt)。
17.根据权利要求15所述的壳体组件，其中在所述金属硅化物上沉积有附加的膜以促进活性材料的粘着。
18.根据权利要求17所述的壳体组件，其中所述附加的膜包括铅金属(Pb)或铅锡合金(PbSn)。
19.一种制作为用于双极铅酸电池的集电器的方法，所述方法包括：
将框架结合到导电硅基板；
采用一个或更多薄膜修饰导电硅基板，所述薄膜使使所述导电硅基板的表面在存在铅酸电解质化学作用的情况下具有导电性且电化学稳定；
其中所述框架和所述导电硅基板之间的界面被气密地密封。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述框架包括围绕所述导电硅基板的表面整个周边延伸的边缘密封件。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述框架在所述导电基板上限定边缘排除区域。
22.根据权利要求21所述的方法，其中通过所述边缘密封件所述一个或更多薄膜的沉积在所述边缘排除区域被抑制。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述框架通过分子间力直接结合到所述导电硅基板。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述框架在压力和高温下用粘合剂结合到所述晶片。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述框架，采用等离子体激活结合、玻璃料结合或阳极结合中的一种或更多方法，结合到所述晶片。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109818085A (zh) * 2019-01-28 2019-05-28 肇庆理士电源技术有限公司 一种铅硅复合双极性电池
CN110620273A (zh) * 2019-10-08 2019-12-27 吴水风 一种铅酸蓄电池修复用极板提取设备
US10693141B2 (en) 2015-07-15 2020-06-23 Gridtential Energy, Inc. Bipolar battery seal and thermal rib arrangements
CN115214111A (zh) * 2022-07-14 2022-10-21 江苏正力新能电池技术有限公司 一种薄膜型电池包上盖制造方法及薄膜型电池包上盖

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117638425A (zh) 2016-09-22 2024-03-01 苹果公司 用于叠堆电池设计的集电器
CN110546790A (zh) 2017-04-21 2019-12-06 苹果公司 具有电解质扩散材料的电池单元
WO2018213601A2 (en) 2017-05-19 2018-11-22 Cougeller Research Llc Rechargeable battery with anion conducting polymer
US11862801B1 (en) 2017-09-14 2024-01-02 Apple Inc. Metallized current collector for stacked battery
US11043703B1 (en) 2017-09-28 2021-06-22 Apple Inc. Stacked battery components and configurations
CN111629887A (zh) * 2017-10-31 2020-09-04 格雷腾能源有限公司 双极电池板组件及其相关机械耦合工艺
US11050093B2 (en) * 2018-06-25 2021-06-29 Eskra Technical Products, Inc. Bipolar lead acid battery cells with increased energy density
TWI699034B (zh) * 2019-03-12 2020-07-11 美商古登修能源公司 雙極性電池極板組件及相關機械耦合技術
US11600891B1 (en) 2020-09-08 2023-03-07 Apple Inc. Battery configurations having balanced current collectors
US11923494B2 (en) 2020-09-08 2024-03-05 Apple Inc. Battery configurations having through-pack fasteners
US11588155B1 (en) * 2020-09-08 2023-02-21 Apple Inc. Battery configurations for cell balancing
US11677120B2 (en) 2020-09-08 2023-06-13 Apple Inc. Battery configurations having through-pack fasteners
US20240105914A1 (en) * 2021-01-26 2024-03-28 Gridtential Energy, Inc. Bipolar battery plate and fabrication thereof
KR20230132673A (ko) 2022-03-09 2023-09-18 진광헌 폐쇄된 두 공간의 압력 차이를 이용한 유체 이송 장치.

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5688615A (en) * 1995-11-03 1997-11-18 Globe-Union, Inc. Bipolar battery and method of making same
CN1511062A (zh) * 2002-03-29 2004-07-07 ����ŷ�������ʽ���� 化学反应装置以及动力供给系统
JP2005259379A (ja) * 2004-03-09 2005-09-22 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池
CN1770505A (zh) * 2000-04-06 2006-05-10 霍克能源产品公司 阀调节型铅蓄电池组
US20090041443A1 (en) * 2004-02-27 2009-02-12 Wolfgang Aderhold Backside Rapid Thermal Processing of Patterned Wafers
US20130155723A1 (en) * 2009-01-26 2013-06-20 Flex Lighting Ii, Llc Replaceable lightguide film display
US20140261978A1 (en) * 2011-01-11 2014-09-18 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Temporary adhesive composition, and method of producing thin wafer
WO2015103295A1 (en) * 2013-12-30 2015-07-09 Moomaw Daniel Sealed bipolar battery assembly

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3016413A (en) * 1958-10-10 1962-01-09 Yardney International Corp Grid for battery electrodes
US4275130A (en) 1979-09-27 1981-06-23 California Institute Of Technology Bipolar battery construction
US4324848A (en) * 1981-01-26 1982-04-13 General Electric Company Positive electrode for lead acid battery
US5376479A (en) 1992-12-03 1994-12-27 Globe-Union Inc. Lead-acid battery of the absorptive mat type with improved heat transfer
US5460900A (en) 1994-08-08 1995-10-24 Gnb Battery Technologies Inc. Lead-acid battery having a fluid compartment for reducing convection-induced heat transfer
US6610440B1 (en) 1998-03-10 2003-08-26 Bipolar Technologies, Inc Microscopic batteries for MEMS systems
US6790556B1 (en) * 1999-12-06 2004-09-14 E.C.R. - Electro Chemical Research, Ltd. Electrochemical energy storage device having improved enclosure arrangement
EP1213783A1 (fr) 2000-12-08 2002-06-12 Renata AG Batterie à électrodes bobinées avec dissipateur de chaleur
SE520007C8 (sv) 2001-09-19 2006-05-16 Nilar Europ Ab Ett bipolärt batteri, en metod för tillverkning av ett bipolärt batteri och bilplåtsammansättning
US6762072B2 (en) 2002-03-06 2004-07-13 Robert Bosch Gmbh SI wafer-cap wafer bonding method using local laser energy, device produced by the method, and system used in the method
CA2506600A1 (en) * 2002-11-29 2004-06-17 Nilar International Ab A bipolar battery and a method for manufacturing a bipolar battery
JP2005251465A (ja) * 2004-03-02 2005-09-15 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池
GB0911615D0 (en) * 2009-07-03 2009-08-12 Atraverda Ltd Method of assembling a bipolar battery
US20110250500A1 (en) * 2010-04-12 2011-10-13 Ho Marvin C Positive active material for a lead-acid battery
FR2964256B1 (fr) * 2010-08-24 2012-09-28 Commissariat Energie Atomique Accumulateur electrochimique bipolaire a emballage ameliore
SI3032610T1 (sl) * 2011-05-11 2019-04-30 Gridtential Energy, Inc. Izboljšana baterija in metoda za sestavljanje
US9634319B2 (en) * 2011-09-09 2017-04-25 East Penn Manufacturing Co., Inc. Bipolar battery and plate
ES2845905T3 (es) * 2013-05-23 2021-07-28 Gridtential Energy Inc Batería recargable con colector de corriente de oblea y procedimiento de ensamblaje
US10693141B2 (en) 2015-07-15 2020-06-23 Gridtential Energy, Inc. Bipolar battery seal and thermal rib arrangements

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5688615A (en) * 1995-11-03 1997-11-18 Globe-Union, Inc. Bipolar battery and method of making same
CN1770505A (zh) * 2000-04-06 2006-05-10 霍克能源产品公司 阀调节型铅蓄电池组
CN1511062A (zh) * 2002-03-29 2004-07-07 ����ŷ�������ʽ���� 化学反应装置以及动力供给系统
US20090041443A1 (en) * 2004-02-27 2009-02-12 Wolfgang Aderhold Backside Rapid Thermal Processing of Patterned Wafers
JP2005259379A (ja) * 2004-03-09 2005-09-22 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池
US20130155723A1 (en) * 2009-01-26 2013-06-20 Flex Lighting Ii, Llc Replaceable lightguide film display
US20140261978A1 (en) * 2011-01-11 2014-09-18 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Temporary adhesive composition, and method of producing thin wafer
WO2015103295A1 (en) * 2013-12-30 2015-07-09 Moomaw Daniel Sealed bipolar battery assembly

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10693141B2 (en) 2015-07-15 2020-06-23 Gridtential Energy, Inc. Bipolar battery seal and thermal rib arrangements
CN109818085A (zh) * 2019-01-28 2019-05-28 肇庆理士电源技术有限公司 一种铅硅复合双极性电池
CN110620273A (zh) * 2019-10-08 2019-12-27 吴水风 一种铅酸蓄电池修复用极板提取设备
CN110620273B (zh) * 2019-10-08 2022-09-23 惠州融汇科技有限公司 一种铅酸蓄电池修复用极板提取设备
CN115214111A (zh) * 2022-07-14 2022-10-21 江苏正力新能电池技术有限公司 一种薄膜型电池包上盖制造方法及薄膜型电池包上盖

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Publication number Publication date
KR20180027596A (ko) 2018-03-14
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EP3323169A4 (en) 2019-02-20
WO2017011695A1 (en) 2017-01-19
EP3323169A1 (en) 2018-05-23
US10693141B2 (en) 2020-06-23

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