CN1131922A - 改进的电池极板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种改进的电池极板以及制造蓄电池的方法。电池极板包括单一或多种直径的许多金属纤维，将纤维随机排列并且烧结，制成其内限定了许多微孔的导电电池极板。对许多金属线采用包层和拉丝处理形成纤维束，由此制成金属纤维。切断纤维束并清除包层就制成了金属纤维。把金属纤维布置成薄片，并经过烧结制成电池极板。

Description

改进的电池极板及其制造方法
                    发明背景
发明的领域
本发明涉及用于蓄电池的一种改进的电池极板，具体地说，本发明涉及用金属纤维的一种烧结薄片制成一个改进蓄电池的方法和装置。
现有技术
一百多年以来，蓄电池为各种电气设备提供了便携和即时使用的电源。蓄电池包括用不同材料制成的阳极和阴极以及介于二者之间的电解液。阳极与阴极之间通过电解液进行的离子交换在阳极和阴极之间产生电势。如果用一个外部负载使阳极和阴极互连，就会由通过电解液的离子流产生电流。
在阳极与阴极之间产生的电势是由用来构成阳极和阴极的不同材料而确定的。而蓄电池产生的电流部分地取决于阳极和阴极的表面面积。
所有蓄电池都有一定的内电阻，它限定了蓄电池所能产生的最大电流。蓄电池所能产生的最大电流通常被称为短路电流。短路电流是指把阳极从外部用一个良导体与阴极短接时蓄电池所能产生的最大电流。
为了增大阳极和阴极的表面面积，许多蓄电池在各个蓄电池单元中使用多个阳极和阴极对。在每个阳极和阴极对之间插入一个隔离器，使阳极和阴极在各个单位内部分别连接成并联电路。在各个蓄电池单位内的多个阳极和阴极对可以增大阳极和阴极的表面面积，从而增大电池的短路电流。
在多数情况下，为了降低蓄电池的重量和费用并且提高其效率，阳极和阴极各自是由组合材料制成的。在这种情况下，阳极和阴极各自是由导电的电池极板制成的，极板上具有用于接受活性材料的许多微孔。
典型的电池极板是由金属材料制成的，其内限定了许多用于接受活性材料的微孔。在某些情况下，电池极板是由涂有导电材料的绝缘材料制成的。绝缘材料内限定了许多用于接受活性材料的微孔。
电池极板必须有一定的机械强度，以便在电池极板内的许多微孔内保存活性材料。在某些条件下，振动和其他机械冲击可能使活性材料移动或脱离电池极板，从而会使蓄电池的效率降低。
在某些蓄电池结构中，包括活性材料的电池极板被卷绕成筒形结构，形成筒形的蓄电池。在卷绕过程中，电池极板和活性材料要经受卷绕过程中的很大的应力。电池极板任何部分的破裂都会使电池极板的导电性能下降并且相应地降低蓄电池的电流输出。
现有技术的许多便携设备使用可充电电池，诸如镍镉电池，镍氢电池以及其他类型的可充电电池，这种电池可经过数百次的充放电，有时可达数千次。可充电电池的设计和制造必须能承受充放电，并且能延长可充电电池的寿命。
另外，现有技术一直在努力降低电池的重量，以便减少例如收音机、电视机、电话、计算机、游戏机等许多便携设备的总重量，为了减少电池的重量，现有技术的蓄电池的电池极板采用了各种材料。
LANGER等人的美国专利3,262,815号公开了一种电极，它适用于这样一种二次电池，它包括由混合薄金属纤维的紧凑体构成的极板，大多数纤维在极板的整个高度上延伸，而一小部分则横向延伸，薄金属纤维在一个方向上具有大体上平行的直线排列，而活性电极材料分布在金属纤维体上及其内部，可渗透液态电解质的板包裹住极板，连接极板的电接点横跨薄金属纤维的主要直线排列，使大部分纤维直接连接到接点上，连接到电接点的电引线，以及包住引线和接点的绝缘盖。
NORLING等人的美国专利4,206,271号公开了一种用于储能蓄电池的多孔镍电极体的制造方法。还公开了一种新式的电极体。在混合物中使用占5-7％体积的镍粉和选自碳酸氢铵及碳酸铵构成的组中的一种占93-95％体积的孔形成剂，对这种电极体加压和烧结时可获得90-95％的很高的多孔性，而这种电极体的机械强度却很高，足以承受蓄电池的变形。为了使电极体获得最佳的强度，加压操作中的压力至少为100MPa。
MATSUMOTO等人的美国专利4,251,603号公开的电池电极包括由彼此以三维方式连接的许多细胞构成的海绵状多孔金属基体制成的板，其中由海绵状金属多孔板构成的栅格的截面面积沿着板的厚度从表面向中心逐渐缩小，并且在多孔板中注入活性材料。
FRITTS等人的美国专利4,628,593号公开了一种低剪切力电池板及由其制成的镍电极，后者基本上是由导电毡的中心层、毡的两侧的镍烧结层，以及沉积在镍烧结层的孔中的镍氢氧化物活性材料构成的。
TATARCHUK等人的美国专利5,080,963号公开了一种由交织在烧结的金属纤维网中的包括石墨纤维的碳纤维的基体构成的新型复合物。这种复合物具有高导电性，并可制成各种表面面积，孔隙体积和孔径。复合物便于由碳纤维，金属纤维及诸如纤维素的一种有机粘合剂的分散体预型件制备而成，对预形件加热，加热的温度足以使金属纤维熔化，并挥发掉至少90％的粘合剂，而使碳纤维的损失小于25％，通常应小于10％。
CATOTTI等人的美国专利5,106,707号公开了一种密封的可充电电极，它包含具有糊状负电极的电化学电池，糊状的层粘在NONFORMINOUS导电衬底上，它可以阻止镍电极的环状生长(膨胀)。
LEAP等人的美国专利5,200,281号公开了一种烧结的双极电极极板(10)，它被制成包含两个多孔电极和一个中心的无孔金属电池隔离器-集电器片(12)，其中的正电极包含烧结在膨胀金属片(18)中的元素银的烧结颗粒(14)，而负电极包含烧结在膨胀金属片(18)中的元素铁的烧结颗粒(16)，其中的正、负电极被烧结成选自镍纤维或镍粉的至少一种薄的多孔金属连接层(20)，将其烧结成集电器(12)。这种极板(10)可被置于含有碱性氢氧化物电解质的壳(22)内，并具有用于电连接的金属端极板(29)。
MASUHIRO等人的美国专利5,200,282号公开了一种用于碱电池中的镍电极，这种碱电池的内部采用有孔的网状耐碱金属筛作为芯体金属集电器，以及一种使用这种镍电极的碱性电池。在高导电性的条件下可以获得高性能，大容量的廉价镍电极。
BRONOEL等人的美国专利5,244,758号公开了一种正镍电极，它具有以镍的氢氧化物为基础的充满糊状的蜂窝镍泡沫结构。糊剂中(在干燥情况征并且在镍氢氧化物重量的每100份中)包含7-8份重量的粉状镍金属，5-12份重量的钴氢氧化物和/或盐，重量成份被表示成钴金属的平衡式。
尽管上述现有技术发展了电池技术，但是电池技术还需要进一步发展，特别是在电池极板的制造技术上需要改进。
因此，本发明的目的之一是提供一种由随机排列的金属纤维的基体制成的用于蓄电池的改进的电池极板，其中的金属纤维与相邻的纤维熔合，从而提供一种总能量密度很高并具有高强度的导电多孔电池极板。
本发明的另一目的是提供一种由随机排列的金属纤维的基体制成的用于蓄电池的改进的电池极板，其中对金属纤维进行烧结，使金属纤维与导电多孔电池极板熔合。
本发明的又一目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的基体经烧结制成的改进的电池极板，其中每根金属纤维具有大体相等的长度和大体上一致的横截面积。
本发明的再一目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的基体经烧结制成的改进的电池极板，其中每根纤维大体上是柱形的，以便增大电池极板的表面面积。
本发明的又一目的是提供一种用于蓄电池的由随机排列的金属纤维的基体经烧结制成的改进的电池极板；以便在相邻纤维之间形成许多微孔。
本发明的另外的目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的烧结基体制成的改进的电池极板，从而在相邻纤维之间形成许多微孔，以便把活性极板材料封闭在电池极板的许多微孔中。
本发明的其他目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的基体经烧结制成的改进的电池极板，从而提供一种电池极板，在电池极板中的孔隙率可以受到精确地控制。
本发明另外的目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的烧结基体制成的改进的电池极板，金属纤维是由许多主直径纤维和许多次直径纤维经烧结构成的，从而提供一种高导电性的电池极板。
本发明的下一目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的烧结基体制成的改进的电池极板，它的孔隙率和导电性均超过现有技术中公知的电池极板。
本发明的又一目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的烧结基体制成的改进的电池极板，它具有高孔隙率，并且明显地比现有技术的电池极板能接受更多的活性极板材料。
本发明的再一目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的烧结基体制成的改进的电池极板，其具有大于95％的孔隙率。
本发明的进一步目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的烧结基体制成的改进的电池极板，它可以被卷成筒形结构，而不会损坏相邻的熔合金属纤维之间的电接触或是焊接。
本发明的再一目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的烧结基体制成的改进的电池极板，使得具有一种以上直径的金属纤维在基体内部均匀地分布。
本发明进而的目的是为蓄电池提供一种由随机排列的金属纤维的烧结基体制成的改进的电池极板，在电池极板中可以择优地安排金属纤维，从而为整个电池极板提供基本上均匀一致的电流密度。
以上概括了本发明的一些较重要的目的，这些目的应被理解为仅表达了本发明的一些较重要的特征和用途。如果按不同的方式应用本发明或是在本发明的范围内对其加以修改，还可以获得许多有益的结果。除了权利要求书所限定的本发明范围之外，通过结合附图阅读本发明的内容以及对最佳实施例的详细描述可以充分地认识到本发明有关的其他目的。
                    发明内容
附加的权利要求书限定了本发明，并且结合附图给出了特殊实施例。总地来说，本发明涉及一种蓄电池的改进的电池极板，它由许多金属纤维构成，这许多金属纤维基本上随机地排列在一个薄片内。这许多金属纤维各自与许多金属纤维中相邻的一根相熔合，从而形成一种内部限定了许多微孔的导电电池极板。
在本发明的一个特殊实施例中，这许多金属纤维各自大体上构成具有一个主直径的柱形，且许多金属纤维各自的长度至少达到主直径的一千倍。这许多金属纤维最好是包括许多主直径金属纤维和许多次直径金属纤维。主直径金属纤维的直径至少达到每根次直径纤维的直径的二倍。
在本发明的一个实施例中，许多金属纤维在多平面的薄片内大体上随机地排列，通过对薄片进行烧结使这许多金属纤维各自与相邻的金属纤维熔合。许多金属纤维可以被弯曲，以便形成弯曲的电池极板。这许多金属纤维是有弹性的，从而有弹性地把一种活性极板材料封闭在电池极板的许多微孔中。
本发明还包括为蓄电池制造电池极板的方法，包括以下步骤，即形成金属纤维的纤维束并且切断金属纤维的纤维束。把切断的金属纤维制成薄片，并且拆开金属纤维从而形成松散的金属纤维。在烧结过程中使松散的金属纤维在薄片内熔合，形成电池极板。
在本发明方法的一个特殊实施例中，形成金属纤维的纤维束的步骤包括包覆和拉制许多金属线，从而提供一种直径缩小的拉制包层，并且除去包层得到纤维束。金属纤维被拉制成具有一个主直径的筒形。将金属纤维束切断成长度至少为主直径的1000倍的金属纤维。
在本发明的一个实施例中，一部分纤维束被制成具有一个主直径，而另一部分纤维束被制成具有一个次直径，并且主直径至少为次直径的二倍。对薄片进行烧结，使金属纤维在薄片内熔合，从而制成一种具有高机械强度的内部具有许多微孔的导电电池极板。
上述概述仅是概括了本发明的较重要的特征，以便使人容易理解以下的详细描述，从而可以更充分地看到本发明的技术贡献。构成本发明权利要求书的主题的本发明的附加特征将在下文中加以说明。熟悉本领域的人员应该认识到，本文所述的构思和特殊实施例可以作为其他结构的修改和设计的基础来使用，从而完成与本发明相同的目的。熟悉本领域的人员还应该认识到这类等效的结构并未脱离如附加的权利要求书所述的本发明的精神和范围。
                   附图的简要说明
为了充分地了解本发明的性质和目的，需要结合附图阅读以下的详细说明，在附图中：
图1是一例蓄电池的等比例视图；
图2是图1的蓄电池的一个局部卷绕的等比例视图，表示了一个电池阳极板，一个电池阴极板及一个隔离器；
图3是适用于图1所示蓄电池的本发明的电池极板的放大的局部视图；
图4是类似于图3的本发明的电池极板的一个放大的局部视图，其上有活性极板材料；
图5是制造纤维束的第一方法的框图，用于制成图3和4所示的第一实施例的电池极板；
图5A是图5中的Clad(包层1)，Single Wire(单线)的放大的截面图；
图5B是图5中的Multiple Draw和Anneal(多次拉丝及退火)的放大的截面图；
图5C是图5中Clad 2，Multiple Clad 1的放大的截面图；
图5D是图5中Multiple Draw and Ameal的放大截面图；
图5E是图5中Clad 3，Multiple Clad 2的放大截面图；
图5F是图5中Multiple Draw and Anneal的放大截面图；
图6是制造纤维束的第二方法的框图，用于制成图3和4所示的第二实施例的电池极板；
图6A是图6中Clad 1，Single Wire的放大截面图；
图6B是图6中Multiple Draw and Anneal的放大截面图；
图6C是图6中的Addilional Draw and Anneal(附加拉丝和退火)的放大截面图；
图6D是图6中Clad 2，Multiple Clad 1的放大截面图；
图6E是图6中Multiple Draw and Anneal的放大截面图；
图6F是图6中Clad 3，Multiple Clad 2的放大截面图；
图6G是图6中Multiple Draw and Anneal的放大截面图；
图7是金属纤维薄片制做方法的框图；
图8是拆开并随机排列金属纤维，从而形成薄片的流程图；以及
图9是制做图1所示蓄电池的方法的框图。
在所有附图中，相同的标号表示相同的部件。
                        详细说明
图1是本发明的一例蓄电池10的等比例图。图2表示了图1的蓄电池10的内部结构。蓄电池10包括阳极11，阴极12及介于二者之间的隔离器13。阳极11、阴极12及隔离器13构成相邻的关系，并且卷绕形成筒形的电池结构。阳极11和阴极12分别用现有技术中惯用的手段(未示出)连接到阳极和阴极端子16和18。阳极11包括由多孔材料构成的阳极板21和布置在阳极板21的微孔中的阳极活性材料31。阴极12包括由多孔材料构成的阴极板22和布置在阴极板22的微孔中的阴极活性材料32。阳极活性材料31和阴极活性材料32被统称为电池的有效物质。阳极板21和阴极板22是由导电材料构成的，以便象现有技术中公知的那样分别用阳极板21和阴极板22在阳极活性材料31和阳极活性材料32之间形成导电性。
图3是本发明的由许多金属纤维50构成的改进电池极板40的局部放大图。这许多金属纤维50都是由可弯曲并且有弹性的固体金属材料构成的，从而构成可弯曲的电池极板21。用于构成电池极板40的金属材料的类型根据需要制造的电池，所用的活性材料以及电池极板的极性的类型来选择。
许多金属纤维50大体上都具有柱形形状，有一个主直径D和基本一致的长度L。许多金属纤维50各自的长度L至少应为其主直径D的1000倍。如图3所示，许多金属纤维大体上随机地排列在电池极板40的多个平面内。许多金属纤维50各自与相邻的许多金属纤维50之一熔合，构成内部限定了许多微孔60的导电电池极板40。许多金属纤维50与同一平面内的相邻金属纤维50熔合，并与多层电池极板40的相邻平面熔合，构成三维的金属纤维基体，基体内具有多层的相邻金属纤维50，其内限定了许多微孔60。最好是通过烧结过程使许多金属纤维50与相邻的金属纤维50熔合。
许多金属纤维50中最好包括许多主直径金属纤维51和许多次直径金属纤维52的混合物。许多主直径金属纤维51各自具有主直径(D)和基本一致的长度(L)。许多次直径金属纤维52各自具有次直径(d)和基本一致的长度(I)。主直径金属纤维51的主直径(D)至少应为各个次直径金属纤维52的次直径(d)的二倍。许多主直径金属纤维51各自的长度L等于许多次直径金属纤维52的各自长度(I)。
在本发明的一个实施例中，许多主直径金属纤维51和许多次直径金属纤维52是由镍金属材料构成的。许多主直径金属纤维51的主直径(D)为4.0微米，并具有基本上一致的2.54厘米的长度(L)。许多次直径金属纤维52具有2.0微米的次直径(d)和基本上一致的长度(I)2.54厘米。许多主金属纤维50与许多次金属纤维52的特定比例可以根据电池极板40所需的孔隙率，所用的金属材料，以及制造金属纤维50的过程来确定。
图4是类似图3的一个放大图，表示了在图3的改进电池极板40上加上了活性材料65。按惯用的方法把活性材料65压入电池极板40的微孔60中。许多金属纤维50是有弹性的，用于把活性极板材料65弹性封闭在电池极板40的许多微孔60中。另外，许多金属纤维50还弹性地把活性材料封闭在多层相邻纤维50的内部。
相邻金属纤维50的筒形大体上形成楔形的区域，截留住活性材料65，以便在振动或摇动时能保持活性材料65，确保电池极板40的导电性。在涂胶过程中还可以做到，在活性材料65通过外力被压入电池极板40时使弹性金属纤维发生弹性变形。金属纤维50的弹性变形产生一种弹性偏移，把活性材料65弹性保持在电池极板40之内。随着活性材料65在电池极板40中的消耗，弹性偏移量持续增大，从而把活性材料65维持在电池极板40内。随着活性材料在电池极板40中的消耗，金属纤维50的弹性偏移使金属纤维50逐渐恢复非偏移状态，从而保持金属纤维50与活性材料65的接合。即使在活性材料基本上耗尽的情况下，金属纤维50的弹性偏移也能使活性材料65维持电池极板40的导电性。
图5是为制造图3和4所示的第一实施例电池极板的纤维束的第一种方法的框图。制作纤维束的第一方法利用第一、第二和第三包层处理111-113，采用金属线110制作成统一直径的金属纤维。所选用的金属线110可以耐受清除处理，例如能耐受一种选定的酸，或是能耐受一种选定的电解处理。
图5示出了第一包层处理121，采用包层材料116为金属线110包层，制成第一包层111。包层材料116选用在清除处理中可被清除的材料，例如可溶于一种选定的酸，或是可在一种选定的电解处理过程中清除，以下将详细说明。包层材料116最好是一种金属条，将其绕在金属线110外径110D的外圆上。
图5A是具有外径111D的第一包层111的截面图。最好使第一包层111持续地通过具有惰性环境的退火炉。
图5表示了第一包层111的拉丝和退火处理122。第一包层111的拉丝和退火处理122最好包括依次对第一包层111拉丝和退火，从而缩小外径111D。
图5B是经过拉丝和退火处理122后的第一包层111的截面图。
图5示出了用包层材料116为许多第一包层111包层的第二包层处理123，制成第二包层112。
图5C是第二包层112的截面图，在第二包层112内有许多第一包层111。
图5示出了第二包层112的拉丝和退火处理124。第二包层112的拉丝和退火处理124最好包括依次对第二包层112拉丝和退火，以便缩小其外径111D。
图5D表示经拉丝和退火处理124之后的第二包层112的截面图。
图5示出了用包层材料116为许多第二包层112包层的第三包层处理125，制成第三包层113。
图5E是第三包层113的截面图，在第三包层113内有许多第二包层112。
图5还示出了第三包层113的拉丝和退火处理126。第三包层113的拉丝和退火处理126最好包括依次对第三包层拉丝和退火，缩小其外径111D。
图5F是经过拉丝和退火处理126后的第三包层113的截面图。
图6是纤维束的第二种生产方法的框图，用于制造图3和4所示的第二实施例电池极板40。制做纤维束的第二种方法通过采用第一、第二及第三包层处理211-213用金属线210制成了主直径金属纤维141和次直径金属纤维142。
图6A是具有外径211D的第一包层211的截面图。最好使第一包层211持续地通过具有惰性环境的退火炉。
图6示出了第一包层211的拉丝和退火处理222。第一包层211的拉丝和退火处理222最好包括对第一包层211依次拉丝和退火，从而缩小其外径211D。
在第一包层211经过了拉丝和退火处理222之后，把第一包层分成主部分241和次部分242。使第一包层211的次部分242经过额外的拉丝和退火处理222A，进一步缩小其外径211D。
图6B是经过拉丝和退火处理222之后的第一包层211的主部分241的截面图。图60是第一包层211的次部分242在经过额外的拉丝和退火处理222A后的截面图。主部分241中的第一包层211限定了主直径，而次部分242中的第一包层211限定了次直径。第一包层211中次部分242的次直径相对于第一包层211中主部分241的主直径具有明显缩小的截面面积。
图6示出了第二包层处理223，用包层材料216为第一包层211的许多主部分241和许多次部分242包层，制成第二包层212。
图6D是第二包层212的截面图，在第二包层212内有许多第一包层211的主部分241和次部分242。
图6示出了第二包层212的拉丝和退火处理224。第二包层212的拉丝和退火处理224最好包括依次对第二包层212拉丝和退火，缩小其外径211D。
图6E是经过拉丝和退火处理224后的第二包层212的截面图。
图6表示了用包层材料216为许多第二包层212包层的第三包层处理225，制成第三包层213。
图6F是第三包层213的截面图，在第三包层213内有许多第二包层212。
图6还表示了第三包层213的拉丝和退火处理226。第三包层213的拉丝和退火处理226最好包括依次对第三包层213拉丝和退火，从而缩小其外径211D。
图6G是经过拉丝和退火处理226后的第三包层213的截面图。
图7是处理第三包层的框图，用于提供具有主直径金属纤维141和次直径金属纤维142的纤维束250。使第三包层通过切断装置271，把第三包层213断开形成所需长度的段。第三包层213的被切断的段经过清除处理272，清除包层材料216，制成所需长度的金属纤维270。包层消除处理272可以采用浸出处理，把第三包层213浸入一种酸中，溶解掉可溶于酸的包层材料216。另一种方式是，清除处理272可以包括一种电解处理，从而清除掉包层材料216。
金属纤维260包括许多主线纤维261和许多次线纤维262。主线纤维261各自具有主直径，而次线纤维262各自具有次直径。第二包层212中的主部分241与次部分242的比例决定了主线纤维261的数量与次线纤维262数量的比例。
在完成清除处理272之后，线纤维260被拆开或打开形成单独的松散金属纤维260。单独的松散金属纤维260经过用于梳理线纤维260的附加梳理机274。附加梳理机274使各个金属纤维260弯曲，以便在金属纤维260被制成薄片280时易于互连和交连。弯曲还可以促使次线纤维262在主线纤维261内的随机排列和基本上均匀的分布。梳理后的线纤维260由一个压片机275制成薄片280。
图8是用于拆开并且随机排列金属纤维260，从而形成薄片2.80的处理示意图。基本上平行的金属纤维260被置于装料斗300中，并由斜面302传送到包含多个轧辊311-318的机体304中。斜面302把金属纤维260引向转动的开卷轧辊311和312，用于使金属纤维260部分打开。部分打开的金属纤维260通过相对转动的开卷轧辊311和312到达主开卷筒314。转动的开卷轧辊313把多余的金属纤维送回装料斗300。部分打开的金属纤维260在主开卷筒314与配合主开卷筒314动作的工作轧辊315和分离轧辊316之间通过，以便进一步打开和混合金属纤维260。打开并混合的金属纤维260通过一个空气轧辊317，使金属纤维经过高速的气流，并通过导管318把金属纤维260传送到一个空气分离器320。
空气分离器320用高速空气进一步分离和打开金属纤维260。打开的金属纤维260落在水平传送带321上并被传送到上升传送带322。金属纤维260在上升传送带322和分离传送带323之间通过，把任何多余的打开的金属纤维260送回到水平传送带321上。在上升传送带322和分离传送带323之间通过的金属纤维260由上升传送带322投放到第一冷却网(condenser screen)325和多个轧辊传送器326。
用鼓风机330如箭头所示通过吸气管331向第一冷却网325提供气流。第一冷却网325上方的气压低于大气压力，因此，气流如箭头所示通过第一冷却网325进入吸气管331，用于确定吸附在第一冷却网325上的金属纤维260的数量。随着金属纤维260在第一冷却网325上的积累，通过第一冷却网325的气流成比例减少，直至达到一种平衡，并且使金属纤维332在第一冷却网325上布置成连续和均匀的层。
金属纤维332的均匀的层由输送轧辊336通过输送板335移动到擦洗器(lickerin)340。用擦洗器340梳理金属纤维332的均匀的层，制成独立的金属纤维260A。独立的金属纤维260A由鼓风机341提供的气流和压力管342引导到第二冷却网345。由鼓风机341产生的气流的速度是由擦洗器340和调节器(saber)346之间的开口来控制的。调节器346装在一个偏心轮(未示出)上，用于改变擦洗器340和调节器346之间的开口，从而控制通过的气流。
随着金属纤维260A在第二冷却网345上的积累，通过第二冷却网345的气流成比例减少，直至达到一定的平衡，并使金属纤维280在第二冷却网345上布置成连续和均匀的薄片。金属纤维280的均匀薄片被送到输出传送带348，就完成了薄片280的制造过程。
图9是制造图1所示蓄电池的方法框图。薄片280经过烧结处理351，使薄片280内的金属纤维260熔合。薄片280经过处理352形成电池极板40。电池极板再经过涂胶处理353，为电池极板40添加活性材料65。涂胶后的电池极板40再通过最后的装配处理354，加上阳极和阴极端子16和18。
本发明的改进的电池极板在许多方面优于现有技术的电池极板。具体地说，构成电池极板的纤维通常有10至25毫米长，直径为1.0微米至30.0微米。金属纤维非常结实，并且在电池极板被卷绕成筒形结构时可以弯曲，而不会降低金属纤维的导电性。相应地，每个金属纤维可以保证12至25毫米的导电距离。与此相反，由粉末状材料制成的现有技术的电池极板仅能保证横跨粉末颗粒直径的导电距离。尽管各个金属纤维具有相对较大的线性尺寸，但是与现有技术中制成极板的材料相比，其直径的尺寸很小。因此，在本发明中，活性材料与电池极板之间的导电距离比现有技术的金属电池极板的距离大大缩短了。另外，如图3所示，金属纤维在基体中形成许多层，以便进一步缩短活性材料和电池极板之间的短距离。
本发明的另一优点是在烧结处理中使相邻金属纤维之间在沿着各个金属纤维各自长度上的各点之间形成最大限度的接触。各个金属纤维都是柱形的，与相邻的纤维形成圆柱的接触，在烧结炉中可以严密地控制这种接触，以便确保材料的可靠熔合。圆柱与圆柱的接触在相邻金属纤维之间确保了高导电性，同时允许改进的电池极板能被弯曲和弯折，以便用于各种各样的电池结构。
本发明进一步的优点是在多层的柱形纤维中可以截留活性材料。相邻的柱形纤维构成楔形区域，把活性材料截留在其内，以便在电池极板受到振动、摇动等等的情况下使活性材料能维持导电性。在涂胶处理中还可以做到使金属纤维弹性弯曲，以便在通过外界压力把活性材料压入电池极板时接纳活性材料。金属纤维的这种弯曲形成了一种弹性，把活性材料弹性保持在改进的电池极板之内。另外还可以做到，随着活性材料在电池极板内的消耗，金属纤维的弹性促使金属纤维回到无变形的位置，从而确保其与活性材料的接合，因此，即使在活性材料基本上耗尽的情况下，也能确保活性材料与电池极板的导电性。具有95％至98％孔隙率的电池极板可以满足本发明的应用。
表1示出了四种商用的现有技术电池极板的物理和电特性。Celmet电池极板是按照美国专利4,251,603号的指导由镍发泡材料构成的。Nihon Seison和Katayama电池极板是由覆盖着塑性材料的镍构成的。
表1中的说明是制造商的说明或测试的参数。表1和表2中所述的电阻值是在1.0厘米宽和12.0厘米长的一条电池极板上相距10.0厘米的两点间测得的。孔径分布的ABS值表示可以通过电池极板的微粒的最大限度孔径或最大直径。孔径分布的百分数是通过湿法流体测试来确定的。孔径分布的百分数表示了指定直径及以下的流体通过微孔的百分数。
ABS值是通过湿法始沸点测试来确定的，利用湿法始沸点测试和干燥气流测试的结合方式，通过统计确定的孔径分布值为98％、90％和50％。表1和表2的值可以精确地反映真实的孔隙率，并且能为电池极板的孔隙率值提供真实的比较。
                                    表1
                            现有技术电池极板的特性介质                CELMET           NIHON SEISON         KATAYAMA孔隙率(％)           94.5                 90.0              94.0基重(oz/yd2)        16.2                 12.5              12.7厚度(mm)             1.5                  1.0               1.2抗拉强度(psi)        170                  120               168电阻(mΩ)            39                   80                83电阻率(mΩ)          0.69                 0.80              0.83孔径分布(μm)ABS                  265                  180               21598％                 265                  145               15590％                 260                  125               12550％                 185                  80                75
表2表示本发明第一实施例的改进电池极板40的物理和电特性。对改进电池极板40列出的八种试样都是用25微米的镍纤维制成的。
                                     表2
                              镍纤维电池极板(25μm)性能              1        2       3       4      5      6       7      8孔隙率(％)        95％     95％    95.5    95.5   96.0   96.0    96.5   96.5基重(oz/yd2)     13.5     17.5    13.5    17.5   13.5   17.5    13.5   17.5厚度(mm)          1.0      1.0     1.1     1.1    1.3    1.7     1.5    1.9抗拉强度(psi)     230      230     210     210    180    180     165    165电阻(mΩ)         55       40      55      40     55     40      55     40电阻率(mΩ-cm)    0.75     0.47    0.83    0.54   0.98   0.61    1.13   0.69孔径分布(μm)ABS               200      200     220     220    250    250     260    26098％              200      200     210     210    230    230     250    25090％              190      190     190     190    210    210     240    24050％              125      125     125     125    135    135     160    185
表1和表2的比较反映了改进电池极板40超越现有技术电池极板的优越性能。与现有技术的电池极板相比，改进电池极板40具有优越的电阻率，孔隙率和抗拉强度。
电池极板的体积是通过液体排出量方法来测量的，从中确定电池极板的孔隙率。由于金属纤维260是固体纤维，改进电池极板40的孔隙率肯定是精确的孔隙率。在多数情况下，现有技术的粉末或镀塑电池极板的所述孔隙率是不够精确的，因为粉末或镀塑材料具有内部的空隙或不同密度的填充材料，而这些部分不能接纳活性材料。表1的孔隙率是基于上述确定孔隙率的估算方式来确定的。因此，表1和表2表示出了改进电池极板40超越现有技术电池极板的性能。
本发明公开的内容包括附加的权利要求书和以上的说明书。尽管本发明是以某种程度上特定的最佳方式来描述的，应该认识到，最佳方式的这种公开方式仅是为了举例说明，在不脱离本发明实质和范围的条件下还可以实现各种结构细节的变更，以及采取各种部件的组合及布置方式。

Claims (30)

1.一种蓄电池的电池极板的制造方法包括以下步骤：
形成金属纤维的纤维束；
切断金属纤维束形成金属纤维；
把金属纤维制成薄片；以及
熔合薄片内的金属纤维，制成电池极板。
2.按照权利要求1的电池极板制造方法，其特征是形成金属纤维束的步骤包括对许多金属线包层和拉丝，形成直径缩小的包层拉丝；并且
清除包层，形成纤维束。
3.按照权利要求1的电池极板制造方法，其特征是形成金属纤维束的步骤包括，把各个金属纤维制成大体上的柱形形状。
4.按照权利要求1的电池极板制造方法，其特征是形成金属纤维的步骤包括形成金属纤维的纤维束，使各个金属纤维具有一个直径的大体上的柱形形状；并且
切断金属纤维的纤维束，形成长度至少为其直径1000倍的金属纤维。
5.按照权利要求1的电池极板制造方法，其特征是形成金属纤维束的步骤包括形成金属纤维的纤维束，使各个金属纤维大体上具有柱形形状；并且
形成一部分具有主直径的金属纤维束和一部分具有次直径的金属纤维束，从而制成具有主、次直径金属纤维的电池极板。
6.按照权利要求1的电池极板制造方法，其特征是，形成金属纤维束的步骤包括形成金属纤维的纤维束，使各个金属纤维大体上具有柱形形状；并且
形成一部分具有主直径的金属纤维束和一部分具有次直径的金属纤维束；以及
随机地排列具有次直径的金属纤维，使其在一个薄片内大体上均匀地分布在具有主直径的金属纤维中。
7.按照权利要求1的电池极板制造方法，其特征是形成金属纤维束的步骤包括形成金属纤维的纤维束，使各个金属纤维大体上具有柱形形状；
形成一部分具有主直径的金属纤维束和一部分具有次直径的金属纤维束，使主直径至少为次直径的二倍；以及
切断金属纤维束，制成长度至少为主直径的1000倍的金属纤维。
8.按照权利要求1的电池极板制造方法，其特征是熔合薄片内的金属纤维的步骤包括对薄片进行烧结，使相邻的纤维熔合，制成其内有许多微孔的导电电池极板。
9.按照权利要求1的电池极板制造方法，其特征是熔合薄片的金属纤维的步骤包括对薄片进行烧结，使相邻的纤维熔合，形成多个导电平面，使每个导电平面内的相邻纤维之间形成许多微孔，用于在孔内接收活性材料。
10.为蓄电池制造电池极板的方法包括以下步骤：
用包层材料为金属线包层，制成第一包层；
对第一包层的主部分拉丝，将其直径缩小到主直径；
对第一包层的次部分拉丝，将其直径缩小到次直径；
为第一拉丝包层的许多主、次部分包层，制成第二包层；
对第二包层拉丝，以便缩小其直径；
清除包层材料，制成包括具有主直径的金属线和具有次直径的金属纤维的一种纤维束；
把纤维束切断成均匀的长度，制成金属纤维；
用金属纤维制成薄片；以及
烧结薄片，形成电池极板。
11.按照权利要求10的电池极板制造方法，其特征是形成金属纤维束的步骤还包括把各个金属纤维大体上制成柱形形状。
12.按照权利要求10的电池极板制造方法，其特征是切断金属纤维束的步骤中包括把金属纤维束切断成长度至少为其主直径1000倍的金属纤维。
13.按照权利要求10的电池极板制造方法，其特征是把金属纤维制成薄片的步骤包括在薄片内把金属纤维随机地排列成一个基体。
14.按照权利要求10的电池极板制造方法，其特征是烧结薄片内的金属纤维的步骤包括烧结该薄片，使相邻纤维熔合，形成导电性的电池极板，在相邻纤维之间构成了许多微孔，孔内可以接纳活性材料；以及
把活性材料涂进薄片中相邻纤维所构成的许多微孔。
15.蓄电池的一种改进电池极板，包括：
许多金属纤维；
上述许多金属纤维大体上随机地排列在一个薄片中；以及
这许多金属纤维各自与上述许多金属纤维中相邻的一条相熔合，构成其内限定了许多微孔的导电电池极板。
16.按照权利要求15的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维各自具有大体上有一个主直径的柱形；并且
上述许多金属纤维各自的长度至少为其主直径的1000倍。
17.按照权利要求15的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维包括许多主直径金属纤维和许多次直径金属纤维；并且
上述主直径金属纤维各自的直径至少为每个上述直径纤维的直径的二倍。
18.按照权利要求15的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维大体上被随机地排列在上述薄片中，薄片中包括大体上随机排列成多层的上述许多金属纤维。
19.按照权利要求15的蓄电池的改进电池极板，其特征是烧结上述薄片，使上述许多金属纤维各自与上述许多金属纤维中相邻的一个纤维相熔合。
20.按照权利要求15的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维都是可弯曲的，用于制成可弯曲的电池极板。
21.按照权利要求15的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维都是有弹性的，用于把活性极板材料弹性封闭在上述电池极板的上述许多微孔中。
22.按照权利要求15的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维各自与上述许多金属纤维中相邻的一个纤维相熔合，构成导电电池极板，其内具有多层相邻的纤维和许多微孔；以及
上述许多金属纤维都是有弹性的，用于把活性材料弹性封闭在上述多层相邻纤维之内。
23.按照权利要求15的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维均由镍金属纤维构成。
24.蓄电池的一种改进电池极板，包括：
许多主直径金属纤维和许多次直径金属纤维的混合物；
上述许多次直径金属纤维的上述混合物被随机地排列并均匀分布在上述许多主直径金属纤维内部，在两种纤维之间形成许多微孔；并且
上述许多主直径金属纤维的混合物与上述许多次直径金属纤维熔合，构成导电的电池极板，在其内的上述许多微孔用于接收电池极板活性材料。
25.按照权利要求24的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维各自是具有一个主直径的大体上的柱形形状；并且
上述许多主直径金属纤维的长度至少为其主直径的1000倍。
26.按照权利要求24的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维各自是具有一个主直径的大体上的柱形形状；
上述主直径金属纤维各自的直径至少是每个上述次直径纤维直径的二倍；并且
上述许多主直径金属纤维各自的长度至少是其主直径的1000倍。
27.按照权利要求24的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维都是可弯曲的，用于形成可弯曲的电池极板。
28.按照权利要求24的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维都是有弹性的，用于把活性极板材料弹性封闭在上述电池极板的上述许多微孔中。
29.按照权利要求24的蓄电池的改进电池极板，其特征是上述许多金属纤维都是由镍金属纤维构成的。
30.一种改进的蓄电池，包括：
由许多主直径金属纤维和许多次直径金属纤维的烧结混合物构成的阳极板，形成一个其内限定了许多微孔的导电极板；
上述许多金属纤维都是有弹性的，用于把阳极板材料弹性封闭在上述阳极板内限定的上述许多微孔中；
用许多主直径金属纤维和许多次直径金属纤维的烧结混合物构成的阴极，形成多孔的导电元件；
上述许多金属纤维都是有弹性的，用于把阴极板材料弹性封闭在上述阴极板内限定的上述许多微孔中；以及
上述许多金属纤维都是可弯曲的，用于制成可弯曲的阳极和阴极。
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