CN1144307C - 一种电池 - Google Patents

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Abstract

一种以轻质结构板并包含被隔离的单体电池形式装配的电池。每个单体电池包含一种蜂窝状结构(44)，在蜂窝状结构中每个薄膜状的层是一个电极组。每个电极组(20)包含一个拉长的阴极、一个拉长的隔板以及一个拉长的阳极。隔板被电解质溶液润湿以利于电化学反应。电化学反应可以是NiMH2电池以及NiH电池、Li+电池、NiCd电池、铅酸电池的反应或其它任何一种适合的电化学反应。另外一种单体电池可以由泡沫形的阴极、泡沫形的隔板以及泡沫形的阳极组成。在两种实施方案中，本发明都将电化学能量储存在一个具有大量限定空穴(45)的结构中，因而结构相对要硬而重量轻。

Description

一种电池
                     技术领域
本发明涉及一种电化学电池的改进设计，更具体地说，本发明涉及一种分散的电池设计，在这种设计中，电池的各个功能组件被作为使用电池的汽车或其它装置上的构件。
                     背景技术
在一个文明的国家里，对大部分成年人来说，一个以汽油或柴油为动力的内燃机汽车是运输的标准方式。然而，这样带有使用汽油或其它碳氢化合物燃料运转的发动机的汽车具有两个明显的缺点。第一，汽车排出的废气是城市地区空气污染的主要来源。第二，大部分国家并没有足够的自然资源以市场价格或接近市场的价格生产碳氢化合物燃料(特别是汽油)。因此，这些国家依靠其它国家来提供这些资源。
正是这些原因及其它因素，成为发展可替代能源汽车的动力。用电化学电池做动力的电动汽车在主要的候选方案中。在美国，在州和联邦的现行法律和即将制定的法律中都涉及到如下条款：销售新的电动汽车；对电动汽车购买者的税收信贷；以及关于所销售的无排放物的汽车必须占具有废气排放汽车的百分比的规定。1990年，联邦政府授权组建了美国高级电池联合体(USABC)。在能源部的赞助下，USABC将克莱斯勒、福特、通用汽车公司以及电力研究院联合到一起，发起研究和开发电动汽车用的电池。USABC已经为电动汽车电池系统确定了一些参数和目标。
一个非常基本的需要就是电池系统必须是可再充的。除此之外，最重要的参数之一是有关电池系统的能量密度(在本文，能量密度是指单位质量所具有的总的能量)。因为电池的能量密度在本质上就比其它能源如矿物燃料低很多，电池工业中的大部分研究和开发就涉及到通过在基本电化学过程中试验新的含有更轻化学物质的反应物，以最大限度地提高能量密度。因而，在很多消费者产品应用领域，铅酸电池已经被镉镍(NiCd)电池所取代。在太空飞船上，已使用了镍-氢(NiH2)电池。然而，NiH2电池中电化学反应的气体特性，要求必须使用一个容纳电池的压力容器。而且，在有氧气存在的情况下，如在地球大气层内，NiH2电池涉及到许多由于氢气燃烧而引起的安全问题。
目前，正在开发许多基于其它反应物的改进电池系统。例如，一些消费者产品现在都提供镍-金属-氢化物(NiMH)电池以试图进一步增大能量密度。此外，锂离子(Li+)电池也正处在开发之中。这些类型的电池同使用铅或镉的旧电池相比，都具有能量密度高、不含有毒成分等优点。
在一个电化学电池中不管使用什么反应物，能量密度都有一个理论限制。也就是，每个分子只能释放一个电子而且这个电子的电位由被产生离子的状态来决定。因而在一个分子中即使具有最低的原子重量，每个分子也只能产生一个单独的电子。这就在理论上给出了电化学电池能量密度的上限。因为锂的原子量低而锂离子的电位又高，因而在所有以前讨论的所用的反应物中锂离子电池具有最高的理论能量密度。
目前，最有希望成为电动汽车电池系统的电池是镍-金属氢化物(NiMH)电池，目前NiMH电池的一个目标就是每千克大约80瓦时的能量密度。相比之下，汽油具有每千克3000瓦时数量级的能量密度。换句话说，一千克汽油能产生一千克被设计的NiMH电池所具有的能量的三十多倍。
因为电池具有相对低的能量密度，电池必须具有一个非常大的质量。因而，电动汽车用的电池系统都有一个及其大的体积和质量，也许能占据一个标准客车发动机室和车厢的大部分位置。正如所看到的那样，电池不仅具有非常大的体积和质量，而且集中在汽车上一个或两个特定的位置上。这样的设计在汽车相撞的事故中是非常危险的，被集中放置的大个的电池会经过车体并压坏汽车乘客室中的人和物。
通常，电化学电池被放置在一个外壳或容器内，这个外壳和容器对电池以及与电池有关的汽车或其它装置的使用和性能没有任何意义。此容器被叠合的金属板电极或裹绕胶体(jelly-roll)结构的相邻电极充满。因为对电动汽车来说，电池系统非常大，所以这个容器的质量也非常大。甚至对于使用能源相对较小的装置例如太空飞船、家用电器以及电动工具，此容器本身被看成是浪费空间并具有额外的质量和成本。在某些太空飞船中，取消电池容器能使电池的质量明显降低百分之十到五十。
                     发明概述
因而，本发明的一个目的就是提供一种使带有电池的整个汽车或装置的能量密度最大化的方法，这种方法同寻求更好的反应物和电化学反应相比，同样有效并且是后者的补充和完善。
本发明的一个另一个目的是提供一种电池设计，这种设计将电池的质量和体积分散到需用电力的汽车或装置的各个位置。
本发明的一个又一个目的是提供一种电池设计，在这种设计中，电池的组件执行有关汽车或装置上一些有用的功能，而不是仅仅用于发电。
本发明的再一个目的是提供一种电池设计，在这种设计中，电池的组件被用作汽车或装置的结构部件。
本发明其它的目的、优点和新特点一部分将在下面描述中阐明，这一部分对于本领域的技术人员来说，在阅读下面的说明书中后是显而易见，或者可通过实施本发明得知。本发明的目的和优点可以依据附后的权利要求书中特别提出的手段、组合和方法来实现和达到。
为了达到前述的目的以及其它目的并与本发明的目的保持一致，像具体体现和广泛描述的那样，一种向为具有第一接头和第二接头的电路提供电源的电池含有一个被拉长的阳极，这个阳极包含第一种反应物，被连接到电路的第一接头。同样，电池还含有一个与阳极相邻并保持一定间隔的拉长的阴极，阴极包含第二种反应物并与电路的第二接头相连接。一块隔板被放在阳极和阴极之间，使阳极和阴极之间保持电绝缘，但这块隔板允许在阳极和阴极之间有一个涉及离子迁移的电化学反应发生，离子的迁移能使电流从电池的阴极通过外电路流向电池的阳极。阳极、隔板和阴极组成了一个拉长的电极组并且多个拉长的电极组以蜂窝状的结构被连接在一起。
本发明也涉及到一种组装电池的方法。这种方法包括以下步骤：提供一种含有第一种反应物的拉长的阳极，提供一种含有第二种反应物的拉长的阴极，提供一种拉长的多孔的隔板，将阳极和阴极结合到隔板相反的两面形成一个拉长的电极组，将多个拉长的电极组集合成一个蜂窝状结构并用电解液将隔板润湿。
在另一种实施方案中，本发明涉及一种向具有第一接头和第二接头的电路提供电源的电池，这种电池包含一个含有第一种反应物的阳极，阳极上具有大量限定的空穴，阳极与电路中的第一接头相连。同样，电池中还包含一个与阳极相邻并具有一定间隔的阴极，阴极上具有大量限定的空穴并含有第二种反应物，阴极与电路中的第二接头相连。一块隔板被放在阳极和阴极之间，使阳极和阴极之间保持电绝缘，但这块隔板允许在阳极和阴极之间有一个涉及离子迁移的电化学反应发生，离子的迁移能使电流从电池的阴极通过外电路流向电池的阳极。隔板上也有大量限定的空穴。阳极、隔板以及阴极形成一个具有大量限定空穴的结构，因而为电池提供了一个坚固而质轻的结构。
                     附图说明
下面的附图结合入此说明书并作为说明书的一部分，图解示意出本发明的优选实施方案，并结合解释阐明本发明的原理。
图1是本发明中一个电极组的等比例图，示出了电极组在剥开处的各层状态。
图2是图1中沿2-2线的横截面图。
图3是多个图1中电极组组合的横截面图，多个电极组被排列形成一个超级组合。
图4是图3中的超级组合被拉成蜂窝形后的横截面图。
图5是按照本发明制造的一块电池板的分解透视图。
图6是图5中所示电池板的上层面板的侧视图。
图7是图5中所示电池板被装配好后的透视图。
图8是带有多个图7中所示电池板的一辆客车的透视图。
图9是类似于图2结构的横截面图，示出了电极组的第二种实施方案，这个电极组具有一个双极电极构造。
图10是类似于图2结构的横截面图，示出了电极组的第三种实施方案，这个电极组具有另外一种的电化学装。
图11是类似于图2结构的横截面图，示出了电极组的第四种实施方案，这个电极组具有另外一种电化学装置。
图12是图5和图7中电池板的另外一种实施方案的横截面图。
图13是图12中被圈面积的特写，示出了泡沫结构。
               实施本发明的最好方式
本发明涉及包括由一个或多个电池单体组成电池板的电池系统。单体电池之间以串联或并联的方式互相连接以提供所要求的电压或电流。每个单体电池包括多个拉长了的呈蜂窝结构的电极组。
本发明中一个被拉长的电极组20如图1和图2所示。电极组20是一个多层结构，包括一个拉长的正极或阴极22，一个拉长的隔板23，以及一个拉长的负极或阳极24。在本说明书中，阴极和阳极的俗称主要适用于电池工业而不适合电子工业。这样，在电池放电期间，正电流从阴极22流出，通过外部连接电路流向阳极24。这是因为从电池的内部来看，阴极22可以被看作负端，但从电池外部来看，因为电流从电池的阴极流出，它可以被看作正端。
阴极22优选包括三层。一种玻璃纤维、特氟隆或其它绝缘材料被用作阳极的基体层26。附着在基体层26并与之相邻的是由镍(Ni)组成的阴极集流体层28。附着在集流体层28上的是阴极反应物层30，其由氢氧化镍(Ni(OH)2)组成。
同样，阳极24由三层组成，开始一层是由玻璃纤维、特氟隆或其它绝缘材料组成的阳极基体层32。附着在阳极基体层32上的是一个由镍(Ni)组成的阳极集流体层34。附着在阳极集流体层34上的是一阳极反应物层36，其由金属氢化物(MH)组成。金属氢化物可包括一系列材料，这些材料具有吸收和储存氢气的重要性质。用于电化学方面的金属间合金氢化物(金属-氢化物)具有相对容易的吸收和释放氢气的能力，因而被用作可逆电极。金属间合金氢化物由元素周期表上IIIB-VIIB族和VIII族的金属通过结合而成。金属氢化物被归类为ABx型，其中A由IIIB-VIIB族的任何金属组成，B是VIII族的金属，x是相对摩尔比。最近，MH电极主要集中在AB5型和AB2型混合金属。La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1是AB5型氢化物的一个例子。V15Ti15Zr21Ni31Cr6Co6Fe6是AB2型氢化物的一个例子。
阴极22和阳极24被粘结到拉长的隔板23的两面。隔板23具有使阴极22和阳极24之间电绝缘而允许离子经由液体电解质溶液(未画出)在其间穿过的性质，此电解质溶液是一种由重量比为26％的氢氧化钾的水溶液组成的碱性介质，并且已经毛细进入隔板23。而且，隔板23需要能够保留电解质溶液，它通常是多孔和吸收性的。在这种情况下，隔板可以简单地将电极分开，而只通过毛细作用来保持电解质溶液。此外，隔板23要具有抗氧化能力，以防止在过充时不与过量的氧气反应。隔板23最好由尼龙或聚丙烯布组成。任选地，它也可是纺织或筛网印花布或诸如石棉或zircar等无机纤维毡。隔板23防止阴极22和阳极24之间直接接触而使单体电池46短路。隔板23还能维持阴极22和阳极24之间的均匀空间，提供容纳电解质溶液的地方。在充电和放电期间，离子被允许在阴极22和阳极24之间漂移。
位于布状的被拉长的隔板23上间隔位置处的是小面积固体隔离材料39，它起到将阴极22和阳极24结合到隔板23的作用，较大面积固体隔离材料41也起到将阴极22和阳极24结合到隔板23上的作用，并为当将多个电极组20转化成如下所描述的蜂窝状结构时提供支持和强度。当然，希望将固体隔离材料部分39和41的数量和尺寸减少到最小，因为它们减少了电极组20的能量储存容量，因而降低了整个电池系统的容量。而且，大面积的固体材料41在整个隔板23上不是连续的，相应地存在一个间隙47，它允许电解液从中流过。由小面积固体材料39提供的连接能防止阴极到阳极之间的间隙过大，允许对电极组进行加工操作。大面积固体材料41提供的电极间的连接，够能增强超级组合结构，此超级组合结构在被拉伸成蜂窝状结构44的过程中承受分裂力。总之，固体面39和41的设计是为在隔板23中不产生孤立区。这样，氢氧化钾电解质溶液仍能有一个通道进入和流出隔板23的每一个区。
如图2中的横截面所示，能够看到阴极22和阳极24上的反应物和导体相互之间有一点儿垂直偏移。这允许外电路经由电极组20的顶端和末端与阴极22和阳极24连接。这个技术减少了阴极22和阳极24之间短路的可能性。
多个电极组20通过粘结剂43被粘合成一个超级组合42，如图3所示。粘结剂43不能与电解质溶液发生作用。这个超级组合能够被拉成如图4所示的蜂窝状结构44，更详细的情况在下面描述。在蜂窝状结构44中的相邻电极组20之间的空穴45通常是空的，但可以被电解质溶液部分填充。
一个预定长度和数目的电极组20能被结合在一起形成前面提到的矩形、盒子形或单体电池46形的蜂窝状结构44。单体电池46的长度由拉长的电极组20的长度和粘结带43的数量和宽度决定。单体电池46的宽度由电极组20的厚度和数量决定。单体电池46的高度由电极组20的高度决定。这个高度可依据使用场合甚至在同一使用场合下变化。对于一个电动汽车，此电池的高度可以在两英寸或更小的范围内，或可达到十二英寸或更大一些。对于家用电器，如对于一个便携式计算机，它可以在四分之一英寸或更小的范围之内。
如图5所示，多个单体电池46能被包含在同一个电池板48内。多个单体电池46中的每一个电池都能安装在相应的由嵌入框架或压条52限定的断路板50中，嵌入框架或压条52由电绝缘材料组成，以使单体电池46中的每一个电池之间相互隔离。绝缘材料最好是注射成型并加工的尼龙或聚丙烯。粘结在嵌入压条52相对两面的是上部面板54和下部面板56。每个面板54和56的内表面是四个方形的导电片58，导电片58对应并紧邻四个单体电池46放置。因为在电极组20中的阴极22和阳极24之间有前述的垂直偏移，在上部面板54上的导电片58与每个电极组20的阴极22电接触，而下部面板56的导电片58与每个电极组20的阳极24电接触。
如图6所示，安放在每个导电片58上的钉针60提供了通过上部和下部面板54和56从每个导电片58引出的电流连通的路径。在上部面板54，有一个通过面板的开启孔62。开启孔62能够为每个单体电池46添加和去除电解质溶液。
一旦装配完毕，多个电池板48(图7)能被用作电动汽车的车体表面，如在图8中客车64的顶部63所示出的。当然，另外的电池板48也可用作客车64的车门、挡板、发动机盖、车体底部以及放在发动机室或其它部分之内。
装配过程
电极组20被装配如下。将镍金属的等离子体溅射或电沉积到构成阴极基体层26的玻璃纤维或特氟隆薄膜上。溅射和电沉积过程制成了由镍组成的阴极集流体层28。利用化学浸渍或电化学浸渍的方法，在与基体层26相对的这个集流体层28表面上镀覆一层氢氧化镍。化学浸渍包括四步：
1)在硝酸镍溶液中浸泡；
2)在氢氧化钠溶液中浸泡，沉淀出Ni(OH)2；
3)冲洗；
4)干燥。
这四步可重复进行以获得所需量的Ni(OH)2。也可在硝酸镍溶液中加入硝酸钴，钴的含量约为镍含量的百分之四到十一。这可改善电池电极在充放电循环中的稳定性。
在电化学浸渍方法中，将镍集流体层28浸入硝酸镍溶液中，使用外部电压源(未示出)使镍集流体层28电极化。相对于氢离子的消耗，发生的是硝酸根离子的还原反应，结果水的电解使镍集流体层28附近的溶液pH值升高，因而生产了氢氧化镍沉淀。这一电化学浸渍方法的工艺参数被列于如下：
硝酸镍浓度             1.6-1.7M
硝酸钴浓度             0.16-0.18M
乙醇浓度               46％(体积百分比)
pH                     2.5-3.0
溶液温度               61℃-72℃
浸渍时间根据所需的氢氧化镍的厚度确定。所需厚度涉及能量储存和导电能力二者之间的协调平衡。通常，镍集流体层28要比氢氧化亚镍反应物层30更薄一些。根据氢氧化镍的分子量，每安时的额定容量至少需要3.46克的氢氧化镍。在反应物层30和基体层26之间的集流体层28还起着在结构上增强基体层26的底部材料的作用。整个阴极22的厚度大约在两千个英寸数量级。
理论上，隔板23应具有无限小的厚度。电解质溶液的量随着隔板厚度的减小而减小，因而减小了电极组20的总质量。在一个结构合理使用氢氧化镍作阴极的电池中，阴极到阳极的间隔通常在七和十五mil(千分之一英寸)之间。需要这一最小距离用来允许正极板膨胀和因此在正极板中吸收电解液。因为在本发明中，这些因素中没有一个对薄膜阴极22有明显的影响，所以采用了一个4mil厚的隔板。
阳极24同阴极22相似，阳极基体层32由附着镍金属等离子体的玻璃纤维或特氟隆薄膜构成，镍金属的等离子体被熔融溅射或电沉积或气相沉积到层32的表面上，形成镍的阳极集流体层34。反应物层36通过沉积金属氢化物的金属晶体而形成。沉积金属氢化物的优选的方法是使用一种以前面讲述的具有所需合金组分的AB2或AB5型金属氢化物作靶材料(等离子体源)的等离子溅射。对于一些效率较低的金属氢化物，每安时电池额定容量所需沉积的反应物要高达3.46克。因而最好能使用一种更高效的金属氢化物，使每安时电池容量所需的金属氢化物在1.5克范围之内(氢气储存量为2.5％重量百分比)。据报道Ovonics电池公司做到达了这样的高效率，甚至效率更高，为AB5型金属氢化物材料。
电极组20的三个部分，即阴极22、阳极24和隔板23，这三个被拉长的部分被排成一行结合起来，并将阴极22和阳极24点焊到隔板23相对的两面。一对相反的探针(未示出)被用到这一夹层排列中，将这一组件加热到正好接近隔板23所用材料的熔点以下。对这对相反的探针连同接近熔点状态的隔板23施加压力就使隔板23的两面与阴极22和阳极23分别点焊在一起。这些点焊点形成在隔板23上的固体隔离材料39和41处。此时，一个拉长的电极组20就形成了。同样可替换地，一个没有支撑基体层的阴极或阳极也可以通过这种方法来制造，这种相对脆弱的电极可依靠隔板通过毛细作用来支撑。
多个这种电极组20可被排列成一排，并且通过在每个相邻电极组20之间的粘结剂43在彼此上面被堆合在一起，如图3所示。粘结剂43的位置对应于每个被排列电极组20的隔板23中的大面积固体材料41的位置并与之相邻。优选的是，在第一对相邻电极组20中的粘结剂43的位置都处在隔板23中大面积固体材料41每个相隔的位置上。这第一对电极组20中的每一个电极组还与另一个电极组相邻，即一个反向相邻的电极组。从图3中还可看出，第一对电极组之间的粘结剂位置与介于这对电极组中的每一个电极组与其反向相邻的电极组之间的粘结剂位置相互错开。粘结剂43处于与隔板23中大面积固体材料41相邻的位置，能够加强在下一步中形成的蜂窝状结构，应当得到重视。
在超级组合42的顶端和末端的电极组上沿两个相反的方向，将这一多层电极组或超级组合42拉开。顶端和末端的电极组被拉开的位置对应于顶端和末端电极组上每个粘结剂位置之间的等距离点上。以这种方式，超级组合42上就形成了蜂窝状结构。作为一个例子，图3中超级组合的一部分被拉成如图4所示的蜂窝状结构。从图4中可以看出，粘结剂43的位置与隔板23中固体材料41的位置在同一直线上，这样就增加了结构强度，使由于形成蜂窝状结构44而产生的施加在超级组合42上的应力不会引起阴极22和阳极23之间间隔上的不均匀。
在超级组合42中各层或电极组20的数目以及粘结剂位置43的间距的大小应使被拉成的蜂窝状结构44满足两个准则。第一，拉伸的尺寸和方向要满足需要。第二，蜂窝状结构44的中心间距连同蜂窝状结构44的结构性质(由结构的弹性模量和屈服点决定)总体上要使形成单体电池46的蜂窝状结构44具有所需的结构强度和刚度。正如上面所讨论的，单体电池46的第一维尺寸由电极组20的数目和厚度以及粘结剂位置43的宽度和相邻两个粘结剂位置43之间的间隔决定。单体电池46的第二维尺寸由拉长的电极组20的长度以及粘结剂位置43的宽度和相邻两个粘结剂位置43之间的间隔决定。单体电池46的第三维尺寸由电极组的高度来决定。蜂窝状结构44的密度或相反地就是蜂窝状结构44中空穴45的体积是电池板48所需强度、刚度和电池板总重量之间相互协调的结果。
下一步，将四个单体电池46装配到电池板48中。最先是将一种绝缘环氧树脂(未示出)涂抹到嵌入压条52的所有内表面。然后将四个单体电池轻轻放进嵌入压条52中的断路板50内。将导电树脂(未示出)涂抹到面板54和56的导电板58上。将绝缘树脂(未示出)涂抹到面板54和56的其它地方。然后再将上部和下部面板54和56用树脂粘结到嵌入压条52和单体电池46上。导电树脂将上部和下部面板54和56的导电板58粘结到单体电池上，而绝缘树脂将上部和下部面板54和56粘结到嵌入压条52上。在树脂粘合的过程中，必须将电池板48压在一起。这个过程可以通过将这个电池板48放入同轴的套(未示出)中并增加套之间的压力来完成，内部的套将上部和下部面板54和56压到嵌入压条52和单体电池46上。
到这时，隔板23不含有一点儿电解质溶液。在电池板48被装配好以后，电解质溶液通过上部面板54中的流体孔62加入。将在电池板48内的每一个单体电池46用氢氧化钾电解质溶液充溢并浸泡。然后，将大部分溶液通过孔62用真空泵抽走，留下的仅是被电解质溶液润湿的隔板23。对电池板48中的单体电池46充电和放电几次以使电池板48试运转。将每个单体电池充满氮气后把孔62封上。
除了用树脂将电池板粘结在一起以外，也可在上部和下部面板54和56以及嵌入压条52上钻孔，以便用螺栓将电池板结合在一起。而且通过钻孔还可以将电池板48的外部结构直接连接到其周围的汽车或装置上。当然可替换地，电池也可以被粘结到其周围的装置或汽车上。嵌入压条52起到将每个单体电池46互相绝缘起来的作用。因而，如果单体电池46中的任何一个发生故障，它能被防止对其它单体电池46产生不良影响。而且嵌入压条52还起到分散整个电池板上压力的作用。例如，嵌入压条52能将在电池板结构连接点上产生的点应力分散到沿嵌入压条52的区域上。
一旦装配完毕，多个电池板可通过电和结构上的结合形成一个汽车或装置的动力电源和其中的结构组分。这种改进电池的构成和结构具有平行板的大表面积，因而在设计上具有容量优势。
电化学反应
在每个电极组20上发生的电化学反应同已知的镍-金属氢电池一样。这个电化学反应在1993年4月9日第260卷的科学杂质(SCIENE MAGAZINE)第176页上被详细地阐述，文章题为：“电动汽车上用的镍金属氢电池”，这篇文章在这里被作为参考。
Ni-MH电池额定电压为1.2V。它不象镍氢气电池以高压气体的形式储存氢气，而是将氢气作为反应产物储存在固体氢化物相中。阳极24(负极)包括一个块储氢材料(金属氢化物)，能够在充电和放电期间分别电化学储存和释放氢气。阴极22(正极)中的氢氧化镍反应物层30在Ni(OH)2和羟氧化镍(NiOOH)之间进行电化学可逆转化。在两个电极22和24上，氧化还原反应都发生在含有重量百分比为二十到三十五的KOH水溶液的碱性介质中。在充电过程中，Ni(OH)2电极被氧化，MH电极被还原。结果，水被分解成氢气和氢氧根离子，氢气被负极上的金属吸收形成MH。在正极，氢氧根离子与Ni(OH)2电极反应生成NiOOH。这个反应使镍的氧化态发生变化，从+2变到+3价。在充电和放电过程中，单体电池46中的半电池反应可以写成：
                         (1)
               (2)
作为反应1和2的结果，在整个充放电循环中，电解质溶液的量和浓度没有净的变化。这个结果与其它碱性电解液系统不同，例如在NiCd电池中，在放电过程中在两个电极都有水生成。尽管在NiMH电池中能产生瞬时的电解液浓度梯度，但它恒定的平均浓度，对电池在气体复合、动力学、高低温使用性能以及抵制因腐蚀和膨胀导致的循环寿命低等整体性能方面十分有利。
电性能
NiMH电池的额定电压是1.2-1.3伏。可以将单体电池46与其它单体电池相互串联起来，使整个电池系统的总电压为这个电压的数倍。例如，将10个这样的单体电池46串联起来，能提供12到13伏的电池电压。电化学反应的电压受周围温度的影响。温度对电压的影响是绝对温度多次幂的函数。因而在通常大气的温度变化范围之内，电压变化不很明显。而且，当温度太高时，反应造成的电压升高所带来的好处被电池组件过多的化学腐蚀带来的问题所抵销。
整个电池的容量或能量密度由阴极22和阳极24中反应物的量决定。换句话说，就是每释放一个电子，所需要的反应物分子的数量。
为了备用的目的以及为了防止并联在其它单体电池上的失效单体电池46对这些单体电池产生不利的影响，可用二极管、电路开关以及继电器来控制和防止电路中的短路对其相邻并联电路产生的不利影响。
整个电池系统产生的电流由电池系统中反应物的总表面积或数量决定。因而，对于一个给定的单体电池尺寸，电池系统产生的电流能够通过并联额外的单体电池来增加。电流也是阳极24和阴极22之间间隔的函数。一个给定单体电池中的电流由电极表面从电解液中获得的离子数的多少来确定。这反过来说，就是由离子穿过隔板在电解液中必须迁移的距离来决定。在这种电池设计中，由于前面所用的材料的膨胀影响较小，间隔就较小，因而就能获得较高的充放电电流。
能允许的充放电电流的大小也受产生热量的限制。放电反应的净反应是轻微的放热反应。因为反应物层很薄，而且蜂窝状结构含有大量的空穴体积，所以单位体积产生的热量也远远低于压紧的立式电池设计中产生的热量。从而这种电池设计也可获得更高的电流。另外一种电化学装置
作为一种对NiMH电池的替代，也可以使用一些其它的电化学装置或工艺。如图10所示的是一个用于镍-氢气(NiH2)电化学装置中的电极组80。阴极82优选包括三层，开始一层是玻璃纤维、特氟隆或其它绝缘材料，被用作阴极82的基体层84。附着在基体层84并与之相邻的是由镍(Ni)组成的阴极集流体层86。附着在阴极集流体层86上的是阴极反应物层88，其由氢氧化镍(Ni(OH)2)组成。
同样，阳极90由三层组成，开始一层是由玻璃纤维、特氟隆或其它绝缘材料组成的阳极基体层92。附着在阳极基体层92上的是一个由镍(Ni)组成的阳极集流体层94。附着在阳极集流体层94上的是由铂组成的阳极催化剂层96。
阴极82和阳极94被结合到拉长的隔板98相对的分离的两面。隔板98具有使阴极82和阳极90电绝缘而允许离子经由电解质溶液(未画出)在其间穿过的性质，电解质溶液已经通过毛细作用被引入到隔板中。隔板98最好由尼龙或zircar布组成。电解质溶液是一种由重量比大约为26％的氢氧化钾(KOH)的水溶液组成的碱性介质。所有各层都具有气体渗透性或气孔，允许氢气和氧气在整个电池中循环。在这个装置中，电池板的面板上必须具有催化活性点，用于过充时氧气和氢气的再结合。必须设置一种具有毛细作用的材料，使新形成的水返回到电极之间的隔板上。否则，隔板会干涸。
阴极半反应    
阳极半反应    
Figure C9619519900241
净反应     
Figure C9619519900242
充电过程中在阳极90上产生的气体氢气，从隔板98上被引出并进入蜂窝状结构的空间。蜂窝状结构中产生的很大体积的空间能使电池在更低的压力下运行。依靠这种构造，能够制造出在一百psi的最大压力下使用并可作为更大装配结构板的电池。在通常的太空飞船使用中，镍氢气电池使用的最大压力高达2000psi。超级组合、单体电池、面板、电路连接、开启孔以及电池板的制造同前面描述的NiMH电池的相同。
除了电池组件可作为结构外，环绕的面板和嵌入物为充电过程中产生的氢气提供了一个天然的容器。这就不再需要一个分离的单独的压力容器，因而降低了使用这种型号电池的装置的总重量。
另外一种电化学装置即锂离子电池的电极组100如图11所示。阴极102优选包括三层，开始一层是玻璃纤维或特氟隆材料，被用作阴极102的基体层104。附着在基体层104并与之相邻的是由镍(Ni)或铝(Al)组成的阴极集流体层106。附着在阴极集流体层106上的是阴极反应物层108，其由一种诸如二氧化锰(MnO2)等能接收和储存锂离子的材料组成。
同样，阳极110由三层组成，开始一层是由玻璃纤维或特氟隆组成的阳极基体层112。附着在阳极基体层112上的是一个由镍(Ni)或铝(Al)组成的阳极集流体层114。附着在阳极集流体层114上的是由诸如金属锂(Li)等能提供锂离子的材料组成的阳极反应物层116。阴极102和阳极110被结合到拉长的隔板118相对的两面。隔板118具有使阴极102和阳极110电绝缘而允许离子在其间穿过的性质。优选地，隔板118由使在室温下熔融的锂盐能稳定存在的高聚物材料组成。
在充电和放电期间，锂离子或者从金属锂产生并穿过隔板迁移到二氧化锰或者通过隔板返回到金属锂。超级组合、单体电池、面板、电路连接以及电池板的制造同前面描述的NiMH电池相同。不需要有开启孔。基体、电流集流体、隔板以及反应物都以以前描述的装置中同样的方式做为蜂窝状结构核心部分的组成结构单位。
从上面的另外一种电化学装置的例子中可以看出，对于具有实际技术经验的人来说，本发明明显地适用于几乎所有已知和即将开发出的电化学电池反应，如Ni-Cd或铅酸电池等。电极和隔板需要被制成具有被拉长的形状并能形成蜂窝状结构核心材料，在这种核心结构中，它们做为结构元件和电池组件能将电池的重量和体积分散到使用电力的整个汽车或装置中，而且电池的组件除了储存能量以外，还执行汽车或装置的其它功能。
另外一种结构实施方案
图9所示的是用于NiMH电池的电极组130的另外一种结构实施方案。电极组130与如上连同图2描述的用于NiMH电池的第一种实施方案类似。然而在这个实施方案中，阳极132是双面的，在基底层136的每一面上有一个集流体层134，并且在集流体层134的外表面有一个反应物层138。一个与上面描述的阴极22和隔板23相同的阴极140和隔板142被结合到阳极132的每一面。这样形成的电极组130是双极的。这个双极构造能被用于上面描述的任何一种电池用的电化学装置。
图6和图7中的电池板48的另外一种实施方案可通过图12和图13中的电池板150说明。在这个实施方案中，电极组上没有蜂窝状结构。相反，这个实施方案中的电池板150含有多个由泡沫组成的单体电池152。图12示出的是带有这样三个单体电池152的电池板150被封装在一个上部和一个下部面板154和156以及一对边缘封闭物158之间。三个单体电池152中的每一个相互之间都被一个电池边界层160隔离开来，电池边界层160是诸如聚苯乙烯的电绝缘结构泡沫材料。在每个单体电池152中，有一个双极构造，这个双极构造包括一个处于中心位置的阳极162，在阳极每一面的隔板164以及在两个隔板164向外相反的两个面上的阴极166。如图13中的透视图所示，阴极166包括一个表面具有大量孔隙的泡沫镍，泡沫镍中被浸渍了氢氧化镍。用同样的方式，阳极162的表面被镀覆了镍金属氢化物。在阳极162和阴极166中的泡沫镍同第一种实施方案一样，起集流体层的作用。一个电流连通线以钉针180的形式通过上部和下部面板154和156分别从阳极162和阴极166上被提供。开启孔182通过下部面板156被提供，以便用氢氧化钾电解质溶液(未示出)来润湿隔板164。能够看到这个结构提供了与第一种实施方案相同的电化学反应，同时还提供了具有大量限定空穴的结构以减少重量和提供吸收外来冲击产生的机械能的能力。
泡沫金属和塑料代表了另外一种轻型板结构，这种结构能获得与蜂窝状结构同样的优势结果。在泡沫中大量空的空间能具有非常轻的重量。如果泡沫被结合到面板之间，它具有保护作用，载荷将被分散在泡沫上。泡沫镍通常含有不需内部相通的空的空间或小泡(小泡封闭的泡沫)。泡沫镍的表面通过切割而变得粗糙并且孔隙率很高，为进入极板提供了一个很短的距离。这个表面通过化学或电化学的工艺被浸渍了氢氧化镍。同样，阳极表面被镀覆了一层金属氢化物材料。隔板材料是刚性小泡开口的泡沫，它是电绝缘材料但能吸收诸如氢氧化钾等电解质溶液并允许离子在两个电极间传输。第四种泡沫材料在两个相邻电极之间将这两个电极分开，它是一种刚性的泡沫塑料，小泡可以开口也可以封闭。这就是放在相邻两个电极152之间的电池边界层160。电解液被限定在隔板164以及电极162和166的表面。组成电极162和166的泡沫材料中的大部分空的空间除了含有一些残余气体外，仍是空的。组成电极162和166的泡沫材料的整体可做为阻抗非常低的电流集流体。在这个实施方案中，电池的元件都有一定的形状以便制造出轻重量的结构材料。按这种方式，电池的质量和体积可分散到使用电力的汽车或装置的各个部分并执行与汽车或装置相关的一些功能。
从另外一种电极组排序的例子中可以看出，对于具有实际技术经验的人很明显，本发明能够采用几乎所有的电极组排序。电极和隔板仍可以具有一种拉长的形状并形成蜂窝状核心结构的材料，它们做为结构元件和电池组件可以将电池的质量和体积分散到整个需用电力的汽车和装置上，这些电池的组件除了能量储存外，还执行汽车或装置的其它有用的功能。
对于具有实际技术经验的人应该很明显，除了特定的蜂窝状构造和泡沫形状外，一大类电极和隔板的形状都可以设计为一种形状，使得这些电池的元件(电极、隔板、电流集流体或隔离边界层)可以将电池的质量和体积分散到整个需用电力的汽车和装置上，它们除了能量储存外，还执行汽车或装置的其它有用的功能。
                      实施例
图8中的汽车，假如是一辆1994雪佛莱越野汽车，重量在6500磅左右，能带300磅汽油并且行驶大约250英里。据保守估计，同样尺寸的电动汽车以每小时60英里的速度行驶需要35千瓦的功率。以每小时60英里的速度行驶200英里因而需要117千瓦-时的电量。一块20英寸×20英寸×2英寸的电池板，例如图6和图7示出的并且在第一个实施方案中描述的电池板48，储存大约0.4千瓦-时的能量，重8kg(17.6lbs)。这样一个电池板成本大约在$78.00。据估计在120英寸×60英寸的越野汽车的车顶面积上，能使用18块这样的电池板。而且，车底和火墙后的底盘能用大约112块这样的电池板取代。发动机室的体积提供了135倍一块这样电池板体积大小的空间，并且汽车侧面和后门能够放另外100块这样的电池板。据估计在一辆越野汽车上总共能提供365倍一块这样的电池板的体积，因而能储存近150千瓦-时的电量。
这样一个能提供116千瓦-时的能量壳的重量将达到928千克(2046磅)。因为能量壳提供了储存能量以外的功能，所以这不能算作是额外的重量，特别是与现有的电池设计技术相比，更是如此。现有的电池设计技术需要将超过1500磅的电池质量集中在一块上，这在汽车事故中是很危险的。因为电池的重量被均匀地分散到整个汽车并能自我支持，而且它的结构带有大量空穴(诸如蜂窝状或泡沫)能吸收撞击产生的机械能，所以本发明能保护事故中的乘客，而不是成为一种潜在的危险。除此之外，据估计利用本发明制造用于这样一辆车的电池的成本大约在$23,000，与现有技术制造的NiMH电池相同，但是在没有实际增加额外成本的情况下为汽车提供了车体和结构。
                   本发明的优点
本发明的分散的电池系统，不仅适用于电动汽车，而且适用于太空飞船、便携式电子产品以及无绳电动工具等。在每一种应用中，改进的电池设计可以将电池系统设计成某种装置的外壳或容器而被用作这种装置的结构。在人造卫星方面，机械结构和电池是无燃料、无人卫星中最主要的两种质量来源，将二者结合起来可大大降低卫星的质量。不象其它的电池系统，这种电池系统与装置或汽车的结构构成整体，共同支持并使用空闲的表面积和体积以最小的重量储存大量的能量。利用本发明的这种改进的电池设计，有可能节省高达50％的电池质量，这些质量转化成更多的燃料，因而使卫星的在轨时间更长一些，有可能多运行长达六个月之久。一颗典型的通讯卫星每月的租金在$2-4百万，于是卫星在轨多运行的时间能产生超过$10百万的收入。
此外，本发明中改进的电池设计能使电动汽车更加切实可行并能取代矿物质燃料驱动的汽车。而且，同用于电动汽车上的其它可再充电池相比，本发明中的电池系统由于容量和表面积的增加，因而能在更短的时间内充电。同样，由于更短的散热途径和这种设计中固有的分散的散热系统，也使更快的充电时间成为可能。
最后，蜂窝状结构固有的重量轻但结构强和硬的性质是本发明电池系统中的一个明显优势，因为它允许电池本身可被用作是汽车或装置的结构元件。
前面的描述可以被看作仅仅是对本发明的原理所做的解释。而且，因为对于本领域技术人员来说，可以很容易地对本发明做无数的改进和变化，所以本发明不希望被限定在上面描述的具体构造和工艺上。因而，所有适当地改进和等价地代替都处在下面权利要求书限定的本发明的范围之内。

Claims (30)

1、一种为具有第一接头和第二接头的电路提供电力的电池，包括：
一个含有第一种反应物的拉长的阳极，此阳极被连接到电路的第一接头上；
一个与此阳极相邻并与之具有一定间隔的阴极，此阴极含有第二种反应物并被连接到电路的第二接头；
一个处于阳极和阴极之间的隔板，隔板使阳极和阴极电绝缘而允许一个包括离子在阳极和阴极之间迁移的电化学反应发生，离子的迁移允许电流从阴极通过电路流向此电池的此阳极；
其中阳极、隔板以及阴极形成一个拉长的电极组；并且
其中多个拉长的电极组以蜂窝状的结构被连接在一起。
2、权利要求1中的电池，其中隔板是可渗透的并被电解质溶液润湿，这允许涉及第一种反应物和第二种反应物的电化学反应发生，反应中离子在反应物之间迁移，允许电流从阴极通过电路流向电池的阳极。
3、权利要求1中的电池，其中阳极包括一个支持层和一个反应物层。
4、权利要求1中的电池，其中阳极包括一个集流体层和一个反应物层。
5、权利要求1中的电池，其中阳极包括一个支持层、一个集流体层和一个反应物层。
6、权利要求1中的电池，其中阴极包括一个支持层和一个反应物层。
7、权利要求1中的电池，其中阴极包括一个集流体层和一个反应物层。
8、权利要求1中的电池，其中阴极包括一个支持层、一个集流体层和一个反应物层。
9、权利要求1中的电池，其中阳极和阴极被结合到隔板上。
10、权利要求9中的电池，其中阳极和阴极通过点焊被结合到隔板上。
11、权利要求2中的电池，其中第一种反应物包括金属氢化物，第二种反应物包括氢氧化镍，电解质溶液包括氢氧化钾。
12、权利要求1中的电池，其中蜂窝状结构是通过在每一对相邻的电极组之间的一系列规则排列并具有一定间隔的位置上使用粘结剂形成的。
13、权利要求12中的电池，其中任何一对相邻电极组之间粘结剂的位置都与这对相邻电极组中的一个电极组同与之反向相邻的电极组之间粘结剂的位置相互错开。
14、权利要求13中的电池，其中隔板至少包含一个与每个粘结剂位置相邻并对应的固体材料区。
15、权利要求1中的电池，其中多个单独分开的蜂窝状结构以被隔离的单体电池的形式被结合在一块电池板中，包括：
一个嵌入框架，它能容纳多个单体电池中的每一个；和
一对面板，即一个上部面板和一个下部面板，这对面板相对的两面粘贴在嵌入框架上而将单体电池夹在其间。
16、权利要求15中的电池，其中面板通过粘结剂被粘贴在嵌入框架和被隔离的单体电池上，在嵌入框架上的粘贴用的是电绝缘粘结剂，在被隔离的电池上的粘贴用的是导电粘结剂。
17、权利要求15中的电池，还包括多个环绕嵌入框架和被隔离的单体电池外围的边缘封闭物，并且它们也被夹在两个面板之间。
18、权利要求16中的电池，其中第一种反应物包括金属氢化物，第二种反应物包括氢氧化镍，电解质溶液包括氢氧化钾；
其中隔板是可渗透的并被电解质溶液润湿，这允许涉及第一种反应物和第二种反应物的电化学反应发生，反应中离子在反应物之间迁移，允许电流从阴极通过电路流向电池的阳极；
其中阳极和阴极各包含一个支持层、一个集流体层以及一个反应物层；
其中阳极和阴极通过点焊被结合到隔板上；
其中蜂窝状结构是通过在每一对相邻的电极组之间的一系列规则排列并具有一定间隔的位置上使用粘结剂形成的，任何一对相邻电极组之间粘结剂的位置都与这对相邻电极组中的一个电极组同与之反向相邻的电极组之间粘结剂的位置相互错开，隔板至少包含一个与每个粘结剂位置相邻并对应的固体材料区。
19、权利要求2中的电池，其中第一种反应物是氢气催化剂，第二种反应物包括氢氧化镍，电解质溶液包括氢氧化钾。
20、权利要求19中的电池，其中氢气催化剂是铂。
21、权利要求1中的电池，其中第一种反应物是能提供锂离子的材料，第二种反应物是一种能接收和储存锂离子的材料。
22、权利要求21中的电池，其中提供锂离子的材料是金属锂，接收和储存锂离子的材料是二氧化锰。
23、权利要求1中的电池，其中电化学反应是可逆的，所以能量在电池充电时被储存在电池中，而在电池放电时能量从电池中被释放出来。
24、权利要求5中的电池，其中镍等离子体被溅射到一个薄膜上，在基底层上形成所述的集流体层并且金属氢化物被沉积到镍集流体层上形成所述的反应物层。
25、权利要求8中的电池，其中镍等离子体被溅射到一个薄膜上，在基底层上形成所述的集流体层并且将一层氢氧化镍沉积到其上。
26、权利要求1中的电池，还包括第二个隔板和第二个阴极，它们与阳极相邻并在阳极与第一个隔板和第一个阴极相对一面的反面。
27、权利要求2中的电池，其中一个独立的半反应发生在阳极和电解质溶液之间，一个补充的并且独立的半反应发生在阴极和电解质溶液之间。
28、装配一块电池的方法，包括下列步骤：
提供一个含有第一种反应物的拉长的阳极；
提供一个含有第二种反应物的拉长的阴极；
提供一个拉长的多孔的隔板；
将阳极和阴极结合到隔板相反的两面形成一个拉长的电极组。
将多个拉长的电极组组合成一个蜂窝状结构；并用电解液将隔板润湿。
29、权利要求28中的方法，其中隔板包含多个连续的固体部分；和其中结合步骤包括将阳极和阴极点焊到隔板上，即将隔板上每个连续的固体部分加热到接近固体部分的熔点，同时，用力将阳极和阴极压向固体部分。
30、权利要求28中的方法，其中蜂窝状结构确定了一个单体电池，这个方法还包括的步骤有：
将多个单体电池彼此隔离开来；
将多个被隔离的单体电池封装在一个壳中形成一个电池板；和
提供一个从单体电池到壳外部的电流通路。
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