CN117043998A - 涉及双极电池的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

披露了一种制造适合用作双极电池1中的双极板500的板的方法。该方法包括如下步骤：挤出包含导电颗粒的第一聚合物以形成导电聚合物板505、从导电聚合物板505上切割出导电聚合物芯512、以及用第二聚合物包覆成型导电聚合物芯512以提供非导电聚合物环绕物516。还披露了一种双极电池1以及一种制作双极电池1的方法。

Description

涉及双极电池的方法和设备
背景技术
本发明涉及电池。更特别地但非排他地，本发明涉及双极电池、用于形成双极电池的设备、以及相关联的制造方法。
双极电池在现有技术中是已知的，参见Tatematsu US2009/0042099(通过引用以其全部内容并入本文)。双极电池架构提供一种更紧凑的储能布置，其中导电板构成的夹层在一块板中提供阳极和阴极并在其间提供活性材料。这项技术自1924年以来就已经存在，但也遇到几个问题，包括电芯的密封以防止电解质溶液泄漏。传统上，来自现有技术的理解是，双极电芯的密封已使用垫圈实现，但这些垫圈已被证明不可靠，从而导致电解质泄漏和电芯最终发生故障。
随后的双极电池利用了带有孔和金属通孔的塑料、二氧化硅或陶瓷复合板以将电荷从板的阴极侧传导到阳极侧。在利用非导电塑料的铅化学组成的示例中，通过孔(通孔)将焊料熔化到可接受的导电一致性水平的现有技术工艺已通过使用薄板得以实现，从而导致这些板因在充电期间产生的气体排放而挠曲并且在充电和放电过程中在通孔周围破裂，从而导致单独的电芯和最终的电池发生故障。遇到的另一个问题是通孔附近形成过多枝晶，从而导致电池充电容量退化。
WO 2016178703披露了一种由包括导电纤维的聚合物芯制成的双极板。然而，在如何大规模生产商用电池方面，该披露内容提供的教导不充分。
本发明力图缓解上文提到的问题中的一个或多个。替代性地或附加地，本发明力图提供用于制造双极电池的改进的方法、用于形成双极电池的改进的设备和/或改进的双极电池。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种制造适合用作双极电池中的双极板的板的方法。该方法包括如下步骤：挤出包含导电颗粒的第一聚合物以形成导电聚合物板。该方法包括如下步骤：然后，从导电聚合物板上切割出双极板的导电聚合物芯。该方法包括：用第二聚合物包覆成型导电聚合物芯(例如，已通过这样的挤出和切割工艺形成的导电聚合物芯)，以向导电聚合物芯提供非导电聚合物环绕物。在实施例中，非导电聚合物环绕物的厚度大于导电聚合物芯的厚度。
已发现，挤出提供了用于生产双极板的导电聚合物芯的特别有利的方法，因为在所得导电聚合物芯中实现了导电颗粒(比如，镀锡碳纤维)的相对均匀的分布。在聚合物流动的成型工艺中(例如，在注射成型或热压中)，导电颗粒可能滞后于熔融聚合物前沿，这可能导致导电聚合物芯具有导电颗粒密度相对低的区域。这可能对双极板的导电性产生不利影响。
导电聚合物板可以限定平面，并且厚度方向可以基本上垂直于该平面。非导电聚合物环绕物可以在一个方向上从由导电聚合物板限定的平面延伸。替代性地，非导电聚合物环绕物可以在两个相反的方向上从由导电聚合物板限定的平面延伸。
技术人员将意识到用于从导电聚合物板上切割出导电聚合物芯的若干种技术，并且应理解，本发明不限于任何特定切割方法的使用。
第一聚合物和第二聚合物可以是相同的聚合物。替代性地，第一聚合物和第二聚合物可以是不同的聚合物。
该方法可以包括如下的步骤：在从导电聚合物板上切割出双极板的导电聚合物芯的步骤之前，对导电聚合物板的表面中的至少一个进行磨蚀以暴露导电颗粒。导电聚合物板的两个表面都可以被磨蚀以暴露导电颗粒。这些表面可以同时被磨蚀。磨蚀步骤去除了聚合物的外表面层以确保导电颗粒暴露在表面上。磨蚀步骤可以包括表面磨蚀、化学蚀刻、激光蚀刻、气体等离子体处理或其他表面去除方法。
磨蚀步骤可以包括：在导电聚合物板离开挤出机时，对导电聚合物板的该至少一个表面进行磨蚀。因此，磨蚀步骤可以在被送入离开挤出机的导电聚合物板的连续生产线中进行。
导电聚合物板的两个表面可以同时被磨蚀。例如，可以同时对导电聚合物板的两个表面进行激光蚀刻。激光蚀刻工艺可以包括蚀刻高达100μm的最大深度。激光蚀刻可以包括蚀刻高达50μm的最大深度。激光蚀刻可以包括蚀刻高达20μm的最大深度。激光蚀刻可以包括蚀刻高达10μm的最大深度。
在包覆成型步骤之前，可以将导电聚合物芯冷却至室温。室温应被理解为小于大约30摄氏度的温度。将导电聚合物芯冷却至室温可以有助于防止聚合物芯在包覆成型步骤期间或之后翘曲。
挤出导电聚合物芯的截面可以包括不同厚度的一个或多个区段，例如导电聚合物芯可以包括一个或多个肋。挤出导电聚合物芯的截面可以包括不同高度的一个或多个区段—例如与平行于板的假想平面的不同间隔量—例如导电聚合物芯包括一个或多个波纹。因此，挤出导电聚合物板可以是肋状的或波纹状的。因此，板的导电聚合物芯可以是肋状的或波纹状的。相对于相同尺寸的扁平芯，波纹增加了导电聚合物芯的表面积，这可以向双极电池提供增强的电性质。此外，波纹板将比具有相同平面尺寸和厚度的平板更硬。因此，波纹板可以促成其中使用双极板的双极电池的结构刚度。这可以允许减小电池/双极板的其他部分的大小/质量。例如，增加导电聚合物芯的刚度可以允许减小非导电聚合物环绕物的大小。作为挤出工艺的结果，导电聚合物芯可以至少部分地具有基本上恒定的截面。
该方法可以包括如下步骤：在导电聚合物芯的第一侧上提供第一厚度的第一金属层，并且在导电聚合物芯的第二侧上提供第二更大厚度的第二金属层。可以在从导电聚合物板上切割出导电聚合物芯的步骤之前在导电聚合物板上提供第一金属层和/或第二金属层。替代性地，可以在包覆成型步骤之后在导电聚合物芯上提供第一层和/或第二层。第一层可以具有高达100μm的厚度。第二层可以具有高达300μm的厚度。在一些实施例中，第一层可以具有高达50μm的厚度，并且第二层可以具有高达200μm的厚度。在一些实施例中，第一层可以具有大约30μm的厚度，并且第二层可以具有大约150μm的厚度。
第一金属层的至少一部分或第二金属层的至少一部分可以通过电镀到导电聚合物板的表面上而形成。已发现电镀提供了对导电聚合物板的表面具有良好粘附性的金属层。第一金属层的至少一部分或第二金属层的至少一部分可以通过冷喷涂而形成。冷喷涂可以提供比经由电镀更便宜且更快速的提供金属层的方法。
对于金属层中的任一个，可以将该层的一部分或全部直接仅冷喷涂到导电聚合物板的表面。替代性地，对于金属层中的任一个，该金属层的一部分可以通过电镀到导电聚合物板的表面上而形成，并且该金属层的另一个部分可以通过冷喷涂到该层的电镀部分上而形成。因此，电镀可以被用来提供对导电聚合物板具有良好粘附性的金属层的基础部分。
第二金属层的第一部分可以通过电镀到导电聚合物板的表面上而形成，并且第二金属层的第二部分可以通过冷喷涂到电镀的第一部分上而形成。可选地，第一金属层的至少一部分通过电镀到导电聚合物板的表面上而形成，并且第一金属层的该至少第一部分的厚度等于第二金属层的第一部分的厚度。
根据第二方面，本发明提供了一种制造适合用作双极电池的双极板的板的方法。该方法包括如下步骤：对导电聚合物板(适合于形成双极板的导电聚合物芯)的至少一侧进行冷喷涂，以在导电聚合物板的该至少一侧上提供金属层。已发现冷喷涂提供了一种特别高效的方式来提供用于形成双极板的阴极和/或阳极的金属层。
该方法可以包括如下步骤：在导电聚合物板的第一侧上提供第一厚度的第一金属层，并且在导电聚合物板的第二侧上提供第二更大厚度的第二金属层。可以在导电聚合物板被切割成导电聚合物芯以便形成板的步骤之前在该板上提供第一金属层和/或第二金属层。替代性地，当导电聚合物板呈具有非导电聚合物环绕物的导电聚合物板的形式时，可以在该导电聚合物板上提供第一金属层和/或第二金属层。第一层可以具有高达100μm的厚度。第二层可以具有高达300μm的厚度。在一些实施例中，第一层可以具有高达50μm的厚度，并且第二层可以具有高达200μm的厚度。在一些实施例中，第一层可以具有大约30μm的厚度，并且第二层可以具有大约150μm的厚度。
这些金属层的厚度可以在20μm至500μm的范围内，并且在铅的示例中，在板的阳极(负极)侧上的厚度在30μm至70μm的范围内且在板的阴极(正极)侧上的厚度在120μm至200μm的范围内。板的第一侧上的第一金属层可以形成阳极。板的第二侧上的第二金属层可以形成阴极。
第一金属层的至少一部分或第二金属层的至少一部分可以通过电镀到导电聚合物板的表面上而形成。已发现电镀提供了对非导电聚合物板的表面具有良好粘附性的金属层。第一金属层的至少一部分或第二金属层的至少一部分可以通过冷喷涂而形成。冷喷涂可以提供比经由电镀更便宜且更快速的提供金属层的方法。
对于金属层中的任一个，可以将该层的一部分或全部直接仅冷喷涂到导电聚合物板的表面。替代性地，对于金属层中的任一个，该金属层的一部分可以通过电镀到导电聚合物板的表面上而形成，并且该金属层的另一个部分可以通过冷喷涂到该层的电镀部分上而形成。因此，电镀可以被用来提供对导电聚合物板具有良好粘附性的金属层的基础部分。
第二金属层的第一部分可以通过电镀到导电聚合物板的表面上而形成，并且第二金属层的第二部分可以通过冷喷涂到电镀的第一部分上而形成。可选地，第一金属层的至少一部分通过电镀到导电聚合物板的表面上而形成，并且第一金属层的该至少第一部分的厚度等于第二金属层的第一部分的厚度。
这些金属层可以包括合金，并且在铅化学组成的示例中，这可以包括铅和锡的合金。合金中锡的百分比可以在1％至10％的范围内，或者理想地在2％至4％的范围内。
金属化之前可能是前体金属涂层，在铅的示例中，该前体金属涂层可以是锡或另一种相容的金属或合金，其中表面涂层在1微米至20微米的范围内，但理想地在2微米至5微米的范围内。
通过电沉积进行的金属化可以包括使导电板在电解质中旋转以缩短电镀期，并且可以包括连续实施的电镀技术(包括冷喷涂、箔激光的气相沉积术的混合体。
根据第三方面，本发明提供了一种制造适合用作双极电池的双极板的板的方法。该方法包括如下步骤：对导电聚合物板的至少一个面进行激光蚀刻，该板适合于形成双极电池的双极板的导电聚合物芯。激光蚀刻可能引起对导电聚合物板的表面的磨蚀，例如足以暴露导电聚合物板的导电颗粒。其他磨蚀手段可能是合适的，但已发现采用通过激光蚀刻而成为可能的精确磨蚀的实施例是特别有利的。
激光蚀刻工艺可以包括蚀刻高达100μm的最大深度。激光蚀刻可以包括蚀刻高达50μm的最大深度。激光蚀刻可以包括蚀刻高达20μm的最大深度。激光蚀刻可以包括蚀刻高达10μm的最大深度。导电聚合物板的两个表面都可以被磨蚀以暴露导电颗粒。这些表面可以同时被磨蚀。可以同时对导电聚合物板的两个表面进行激光蚀刻。磨蚀步骤去除了聚合物的外表面层以确保导电颗粒暴露在表面上。
磨蚀步骤可以包括：在导电聚合物板离开挤出机时，对导电聚合物板的该至少一个表面进行磨蚀。替代性地，当导电聚合物板已经形成包括非导电环绕物的板的一部分时，可以进行磨蚀步骤。
根据第四方面，本发明提供了一种制造双极电池的方法。该方法包括如下步骤：例如，使用本发明的第一、第二或第三方面中的任一者的方法来制造多个板。该方法包括如下步骤：形成该多个板的堆并将这些板夹在两个单极板之间。可以存在如下步骤：将电解质材料放入由第一双极板形成的盘状物中，该盘状物包括由第一双极板的金属层提供的基底和由第一双极板的非导电环绕物限定的侧部。可以存在如下步骤：将第一双极板的非导电环绕物与第二双极板的非导电环绕物接合，使得第二双极板的金属层和第一双极板的盘状物限定包含电解质材料的室。因此，电解质材料可以定位在第一板和第二板中的一个的阳极层与第一板和第二板中的另一个的相对的阴极层之间。如此制作的双极电池可以具有双极板，这些双极板各自至少部分地包括具有基本上恒定的截面的导电聚合物芯。如此制作的双极电池可以具有双极板，这些双极板各自包括与非导电聚合物环绕物一体地形成(例如，被成型在一起)的导电聚合物芯。
根据第五方面，本发明提供了一种双极电池，其包括夹在两个单极板之间的多个双极板的堆。这些双极板各自包括导电聚合物芯和非导电聚合物环绕物。在双极板的一侧上存在阳极材料层，并且在双极板的相反侧上存在阴极材料层。电池包括罩壳，阳极材料层和阴极材料层包含在该罩壳内。优选的是，罩壳至少部分地由所有双极板的非导电聚合物环绕物形成。双极电池可以已使用本发明的第一、第二、第三或第四方面中的任一者的方法来制造。
双极板可以包括具有基本上恒定的截面的挤出导电聚合物芯。芯可以被成型到非导电聚合物环绕物。挤出导电聚合物芯的恒定截面包括不同厚度的一个或多个区段，例如包括一个或多个肋。挤出导电聚合物芯的恒定截面包括不同高度的一个或多个区段，例如包括一个或多个波纹。
每个双极板的非导电聚合物环绕物可以直接连接至相邻双极板的非导电聚合物环绕物并且优选地与其密封。不存在介入结构是优选的。
每个双极板的环绕物可以经由榫槽布置结构连接至相邻双极板的非导电聚合物环绕物件并与其密封。
在每个双极板的环绕物与相邻双极板之间的密封连接区域中可以设置有导线，例如该导线能够在经由该线传递电流时提供足够的热能来熔化密封连接区域中的聚合物材料。线可以是金属线。线可以是导电聚合物轨道。线可以被成型或插入到非导电聚合物环绕物的表面中。这样的布置结构提供了将相邻双极板焊接在一起的能力。导线还可以在电池寿命结束时用于熔化板接头并拆卸电芯。
非导电聚合物环绕物可以在一侧上从导电聚合物芯延伸得比另一侧上更远，使得在一侧上限定第一凹部以用于容纳电池的电解质材料。导电聚合物芯和非导电聚合物环绕物可以在双极板的与第一凹部相反的一侧上限定第二凹部，第一凹部比第二凹部深。阴极材料层可以形成第一凹部的基底的至少一部分。阳极材料层可以形成第二凹部的基底的至少一部分。保持电解质的双极板可以包括电池的电芯的阴极层，并且该电芯的阳极层可以由相邻双极板形成。在所展示的实施例中，形成电池的电芯的数量等于双极板的数量加一，每个双极板形成板的一侧上的一个电芯和板的另一侧上的第二电芯的边界。
由环绕物和导电聚合物芯形成的凹部的深度在一侧上可以比在另一侧上的对应深度至少多20％。在本发明的实施例中，这样的布置对于促进双极电池的制造特别有利，因为较深的凹部提供了盘状物，在双极电池的制造期间，可以将电池的可能冻结的电解质材料放入该盘状物中。这种布置还使得双极电池能够更好地适应电芯在充电和放电期间经历的压力变化。
双极电池可以进一步包括保持在阳极层与相对的阴极层之间的电解质材料。电解质材料可以至少部分地由多孔基体结构保持。该基体结构可以是蜂窝结构。蜂窝结构可以由刚性聚合物材料制成以提供结构支撑，例如由ABS、PPS或任何其他合适的聚合物制成。存在用于包含电解质材料的一个或多个吸收性玻璃垫。例如，电解质材料可以夹在吸收性玻璃垫之间。这样的吸收性玻璃垫可以定位成与多孔基体结构(比如，上文提到的蜂窝结构)相邻。例如，多孔基体结构(例如，蜂窝结构)可以夹在吸收性玻璃垫之间。
可以提供排气装置作为每个双极板的非导电聚合物环绕物的一部分。该排气装置可以包括导管。排气装置或例如排气装置的导管可以被配置为限制电解质流出排气装置/导管。排气装置可以包括泄压阀。排气装置可以包括透气性膜，例如聚合物膜。可以提供泄压阀作为每个双极板的非导电聚合物环绕物的一部分。所有环绕物的排气装置都可以排入公共增压室中。所有环绕物的泄压阀都可以排入公共增压室中。公共增压室可以具有排向大气的泄压阀。公共增压室的泄压阀可以少于布置成将气体排放入增压室中的电芯的数量。公共增压室可以布置成限制由布置成将气体排放入增压室中的电芯所遭受的压力差。
根据第六方面，本发明提供了一种双极电池，其包括夹在两个单极板之间的多个双极板的堆。双极板各自包括挤出导电聚合物芯，因此具有基本上恒定的截面。芯被成型到非导电聚合物环绕物。在双极板的一侧上存在阳极材料层，并且在双极板的相反侧上存在阴极材料层。电池包括罩壳，并且阳极材料层和阴极材料层包含在该罩壳内。罩壳至少部分地由所有双极板的非导电聚合物环绕物形成。
可选地，挤出导电聚合物芯的恒定截面包括不同厚度的一个或多个区段，例如包括一个或多个肋。挤出导电聚合物芯的恒定截面可以包括不同高度的一个或多个区段，例如包括一个或多个波纹。附加地，本发明的第六方面的双极电池可以包括关于本发明的第五方面的双极电池所描述的任何特征。
根据第七方面，本发明提供了一种制造双极电池的方法。双极电池可以是根据本发明的第五方面的双极电池。该方法可以包括如下步骤：形成夹在两个单极板之间的多个双极板的堆。每个双极板可以包括具有非导电聚合物环绕物的导电聚合物芯。每个双极板可以包括在板的一侧上的阳极材料层和在板的相反侧上的阴极材料层。该方法可以如此执行使得当形成板的堆时，每个双极板的非导电聚合物环绕物与相邻板的非导电聚合物环绕物直接接触。可以存在如下步骤：熔化非导电聚合物环绕物之间的接触区域局部的聚合物材料，以在相邻双极板之间形成密封接头，例如通过引起电流沿着嵌入于接触区域的区域中的线流动，从而产生足以熔化聚合物材料的热量。该方法可以包括本发明的第一、第二、第三或第四方面中的任一者的方法的任何步骤。
每个双极板可以如此成形以便形成用于容纳电解质材料的盘状物。双极板的堆可以通过将电解质材料放入第一双极板的盘状物中而形成。堆可以通过将第一双极板与第二双极板接合而形成，使得第二双极板的表面和第一双极板的盘状物限定包含电解质材料的室，电解质材料由此定位在第一板和第二板中的一个的阳极层与第一板和第二板中的另一个的相对的阴极层之间。然后，可以将电解质材料放入由第二双极板提供的盘状物中。可以添加进一步的双极板和/或可以用单极板对堆进行封盖。该方法可以包括如下的早期步骤：将电解质材料放入单极板的盘状物中，并且将该单极板与第一双极板接合以便限定包含电解质材料的室。单极板中的一个可以具有充当用于包含电解质材料的盘状物的凹部，而另一单极板可能没有这样的凹部或具有较浅的凹部。每个电芯的如此形成并包含电解质材料的室可以是随后密封(例如，使用比如下文所描述的技术之类的技术)的封闭室。
每个双极板的非导电聚合物环绕物可以包括在板的一侧上的第一类型和在另一侧上的第二类型的围绕其周边的成形形成物。这些成形形成物可以具有相互对应的形状，使得第一双极板的第一类型的形成物贴靠第二双极板的第二类型的形成物，从而使得当贴合在一起时，这些板在准备形成其间的密封接头的位置中正确对齐。第一类型的形成物可以包括突出部分，该突出部分容纳在第二类型的形成物的凹部内。上文提到的发热线可以嵌入于形成物的突出部分中。上文提到的发热线可以嵌入于第二类型的形成物的凹部中。
该方法可以包括如下步骤：在熔化聚合物材料以在相邻双极板之间形成密封接头的步骤之前，在双极板上的阳极材料层与相邻双极板上的阴极材料层之间添加冻结的电解质材料层。冻结的电解质层的厚度可以大于盘状物的深度，使得冻结的电解质从盘状物中突出。在将第一双极板与第二双极板接合的步骤期间，可以压缩冻结的电解质。可以存在如下步骤：主动加热冻结的电解质材料。
该方法可以包括如下步骤：在形成堆之前，将每个双极板的导电聚合物芯和非导电聚合物环绕物进行共成型，使得导电聚合物芯和非导电聚合物环绕物一体地形成。与将板的堆密封地联结在一起的步骤相比，这样的步骤可以由不同的一方执行，并且可选地在不同的位置处执行。因此，本发明可以提供一种独立于制作电池来制作包括导电聚合物芯和一体地形成的非导电聚合物环绕物的板的方法。共成型步骤可以包括将电阻线(例如，导电聚合物轨道)嵌入到非导电聚合物环绕物的表面中(或以其他方式嵌入于环绕物上或嵌入到环绕物中)。共成型步骤可以包括将泄压阀嵌入于非导电聚合物环绕物中。
该方法可以包括如下步骤：将导电材料激光焊接到导电聚合物芯的表面。然后，可以存在如下步骤：向表面上的导电材料添加活性材料(例如，阴极材料)。可以存在如下步骤：在形成堆之前，制作每个双极板的导电聚合物芯。这样的步骤可以包括：使用增材制造工艺形成一个或多个导电结构，添加聚合物材料，且然后固化和/或硬化聚合物以至少部分地将该一个或多个导电结构嵌入于聚合物材料内。增材制造工艺可以包括向该一个或多个导电结构添加活性(阳极和/或阴极)材料。
根据进一步的方面，本发明提供了一种包括导电聚合物芯和非导电聚合物环绕物的板，该板适合用于形成本发明的电池的双极板和/或通过本发明的第一、第二或第三方面的方法中的任一者形成。这样的板可以可选地包括在板的一侧上的阳极材料层和在板的相对侧上的阴极材料层。
当然将了解，关于本发明的一个方面描述的特征可以并入到本发明的其他方面中。例如，本发明的方法可以结合参考本发明的设备描述的任何特征，反之亦然。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考随附示意图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的在用于形成电池的组装/制造工艺期间所示的金属化板；
图2示出了在组装/制造工艺后期阶段的图1的板；
图3是根据实施例的电池的导电聚合物双极板的电芯堆布置的‘分解’截面；
图4是图3的“放大和分解”部分；
图5是用于保持电池的电解质的结构的截面；
图6是根据本发明的实施例的电池的一部分的示意性截面，
图7是根据本发明的另一个实施例的展示制造板的方法的示意图，
图8是波纹状的挤出导电聚合物芯的图，以及
图9是根据本发明的另一个实施例的展示金属化工艺的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及一种双极电池，其包括夹在两个单极板之间的双极电池板的堆。虽然本发明在本文中被称为双极“电池”，但技术人员将理解，这样的布置在本领域中也可被称为双极蓄电池或双极电力单元。
双极电池板是使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)聚合物或适合于替代性化学组成和基于导电元素的填料的类似的耐电解质热塑性聚合物来构造的。其他化学组成(比如，锂、镍金属氢化物、钠)可能需要具有不同熔点特性的热塑性塑料，以考虑电芯内的充电和放电的温度范围。聚合物板被设计成导电的，并且包括可以有助于提供这样的导电性的填料材料。填料可以例如包括长丝、纤维、微粒、以及其他填料和添加剂。填料可以提供附加功能，例如用于比如辅助注射成型和/或增强机械强度之类的目的。这样的剂将典型地被要求具有与电池化学组成相容的成分。在铅化学的示例中，聚合物板可以用具有填料的聚合物制成，该填料包括用镍、锡、铝、金或任何其他原料金属或金属合金涂覆的碳纤维。每个聚合物板的导电部分由明显较厚的非导电聚合物环绕物围封。
使用二次注射成型工艺来形成导电热塑性聚合物板和非导电环绕物。更具体地，导电聚合物板借助于注射成型工艺与其非导电环绕物共成型，且因此与其一体地形成，该注射成型工艺在同一循环期间分配导电聚合物和非导电聚合物，这两种聚合物同时硬化。环绕物设计有榫槽，使得在初次组装期间，完成的电芯只能以正确对齐的方式连接在一起，从而通过机械联锁提供第一级密封，之后通过比如电阻植入焊接、熔焊、脉冲熔焊或用以环绕周边密封电芯的其他工艺之类的技术来最终将塑料环绕物结合和密封。
双极板的构造可以替代性地通过3D打印(即，增材制造工艺)导电长丝以及随后在模具中用熔融热塑性聚合物淹没所述长丝来构造，以确保长丝的尺寸和接近度准确，从而实现正确的板导电性，并且由类似的热塑性聚合物制成的环绕物将附接至其以实现正确的尺寸和对齐。
双极电芯的制造形成了自动化组装方法的一部分，该自动化组装方法力图防止在工艺期间电解质泄漏。这些板被制成为具有足够的厚度，以减少板由于因充电期间产生气体或蒸气而使电芯内部压力增加所致的挠曲。在铅化学组成的示例中，这种情况通过添加合适的阀系统来控制电芯内部压力而得到缓解；例如，电芯内部压力被限制为不超过10psi、优选地为0.5psi至8psi、或更优选地为1psi至4psi。一种这样的合适的阀是Bunsen阀。每个单独的电芯均可以配备有阀，或者每个电芯可以经由共用室彼此连通，以用单个外部阀均衡电芯气体压力，从而防止电池过压。取决于电池的能量要求，典型的板厚度将在0.2mm至20mm的范围内。
具有非导电环绕物的导电聚合物板设置有金属化层。该金属化层可以通过金属箔、冷喷涂物或静电沉积物提供，金属箔、冷喷涂物或静电沉积物通过电镀或冲击沉积而跨越整个导电板表面一致地焊接或涂覆，从而形成与双极板内的导电元件的强电连接，并形成穿过该板的连接路径。在一些实施例中，非导电环绕物未经受金属化。
活性材料被涂覆到板的金属化表面，以在板的一侧上提供阳极材料(例如，铅)并在相对侧上提供阴极材料(例如，二氧化铅)。将活性材料涂覆到板的过程可以与板的金属化同时执行。例如，可以将活性材料涂覆到金属箔或其他金属化表面，然后将该金属箔或其他金属化表面涂覆到板(使得活性材料的金属化和涂覆同时发生)。板的金属化还可以包括等离子沉积、化学气相沉积、激光焊接和其他金属化技术。活性材料的涂覆包括电化学沉积、3D打印沉积、作为半固态糊剂并伴有固化的涂覆、以及其他涂覆。在铅化学的示例中，活性材料将包括用于阳极的铅和作为水性糊剂沉积在板的阴极表面上的二氧化铅。
为了提供额外的板表面积，可以对板的金属表面进行发泡，以提供与电解质更大的接触面积。发泡包括泡沫的3D打印、冷喷涂或静电沉积。在铅化学组成的示例中，将铅的发泡或3D打印应用于该工艺，以大大增加电解质与活性材料之间的接触表面。这样的发泡可以应用于双极板，以增加活性表面并由此提高能量密度—优选地，泡沫孔隙度应大于50％。
可以应用附加材料以提高能量和功率密度，例如，添加碳纳米管作为适合在铅化学中使用的示例。这样的材料可以例如嵌入于导电聚合物板中。这样的附加材料可以替代性地/附加地包括石墨烯、碳、石墨、二氧化钛、钛酸盐材料和碳酸亚乙烯酯，其可以例如更好地适合于其他化学组成。这些添加剂的涂覆可以通过与活性材料混合、滚涂或喷涂进行。
该铅化学组成示例中使用的电解质为稀释的H2SO4，其包含在吸收性玻璃垫(AGM)和ABS蜂窝夹层中。ABS蜂窝结构可以通过3D打印或增材制造工艺来制造。对于其他化学组成，电解质将使用具有相同机械性质的其他吸收性材料，这些吸收性材料取决于化学组成而不受电解质腐蚀的侵害。用于锂电池的电解质和溶剂的示例包括在稳定溶剂(包括线性和环状碳酸酯以及聚合物凝胶)中的六氟磷酸锂(LiPF6)、双(双三氟甲烷磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)、有机硼酸盐、磷酸盐和铝酸盐。被提供用于包含电解质的结构(例如，以吸收性方式)应提供足够的灵活性以允许活性材料在放电过程中膨胀，但应具有足够的刚性(例如，由ABS蜂窝提供)以限制板因充电过程中形成的阀控制的电芯气体或蒸气内部压力造成的挠曲程度。在铅化学的示例中，其AGM/ABS蜂窝储库中的电解质定位在形成电芯边界的经活性材料涂覆的阴极板与阳极板之间，当堆叠在一起时，这些板形成了双极电池。在蜂窝结构中，柱的形状常常为柱状和六边形，但可以取决于成分和要求而变化为任何多边形状，并且可以包括泡沫结构作为柱状的替代方案。
电池中的电芯数量决定了板的电压和大小，并且对应的活性材料和电解质的量决定了电流强度。
已组装的电芯堆的熔合是使用嵌入于板环绕物的榫或槽中的线长丝来完成的，在此之后，电芯堆组件使用电阻植入工艺被充分加热以将电芯气密密封。在本发明的实施例中，这有利地提供了具有结构的绝对密封和刚性的完整电芯完整性。
电芯堆可以组装成模块，这些模块可以并联或串联连接以分别提供所需的电流强度或电压水平。这些模块可以通过联锁端子连接件来连接。联锁端子将取决于与相邻模块的对齐情况来实现并联或串联连接。
模块将具有集流板，每个端板中结合有该集流板以高效地优化电流转移。集流板可以具有主要且相容的金属，包括铝、铜、锌、钢、黄铜、青铜、钛，或者具有两种或更多种金属或其他刚性物质的复合合金或双板。端板的目的将是增加模块中的端板的刚性。
集流板将通过熔焊、导电粘附、激光焊接、感应焊接或适合这些材料的其他结合方法而结合到端板的金属表面。
示例1
图1至图5展示了本发明的具体实施例，现在将对其进行进一步详细描述。图3是根据该实施例的电池1的电芯堆布置的‘分解’截面。图4是图3的一部分的放大图。电池1包括夹在两个非导电端板10之间的导电聚合物板的堆，穿过这两个非导电端板提供了电池端子20。在堆的一端处存在阴极单极板6，且在相反端处存在阳极单极板8。在单极板6、8之间的板是在相反侧上提供阳极和阴极的双极板9。板6、8、9在其周边处通过使用榫槽机械密封布置结构26进行密封(图4中最佳所见)。在该示例中，每个双极板的阳极侧上的环绕物具有‘榫’部分，并且每个双极板的阴极侧上的环绕物具有‘槽’部分。
图1示出了具有导电表面和非导电环绕物4的金属化聚合物板2，该金属化聚合物板随后被制成为堆的双极板9。双极板的构造需要构造模具，这些模具使得能够以合适的热塑性聚合物制造具有导电元件和非导电边缘/环绕物的板。在铅化学组成的示例中，这被选择为ABS。非导电环绕物的尺寸将由电池的大小并由此由板的导电部分的面积、以及其次电芯堆是否将充当外部电池罩壳或者它是否将装配在附加罩壳内部以获得附加的安全性来确定。非导电环绕物的典型宽度将在10mm至50mm的范围内。非导电环绕物的总厚度将与电池的给定电池规格和大小所需的活性材料量有关。
根据该实施例的导电双极板的特征之一是能够形成符合特定形状要求的电池，可以是立方体、圆柱形、球形、圆锥形或其他3D形状以满足特定形状系数要求。
板的尺寸由电池1的能量和功率容量要求来确定，并且具有不对称的深度尺寸以容纳在电芯构造过程中填充有电解质的AGM/ABS蜂窝18(描述于下文)。
在该实施例中，要求成型板跨越整个表面展现在1m’Ω至20m’Ω的范围内、优选地<10m’Ω、更优选地<5m’Ω的电阻，以确保板的所期望的导电性。成型涉及二次注射成型，以使用相同的热塑性聚合物基材生产具有集成边沿/环绕物的板。作为该工艺的一部分，感应线元件12(例如，电阻线或者网状元件)嵌入板的非导电环绕物4的榫中(如图2中所示)。该成型工艺确保板的导电部分和非导电部分产生一体式板构造。榫槽的直径取决于板的大小而在2mm至10mm的范围内，最常见的是在3mm至4mm的范围内(本实施例中就是这种情况)。
板的聚合物材料具有借助于导电填料元件提供的导电芯22。如在铅化学环境中所应用的，可以使用长纤维和ABS粒料熔化物共混和混合工艺以跨越板实现一致的导电性(如在US2012/0321836A1 Integral Technologies，2012年)中所描述的，其内容通过引用并入本文)。
图4示出了在铅化学组成应用中提供结合到每个电芯的非导电环绕物4中的气体压力释放阀24以在充电期间提供压力释放。在充电过程期间产生较少(或不产生)气体或蒸气的其他化学组成中，可以省略该阀机构。在本实施例(铅化学组成应用)中，用于添加泄压阀的孔口容纳在不对称板的非导电环绕物的阴极侧中，以在预定压力设定值介于0.5psi与8psi之间、或最优选地1psi至4psi的受控条件下允许充电诱导的氢气和氧气直接从电解质中排出，从而维持最佳的电芯压力。
在作为充电过程的一部分展现气体或蒸气的化学组成中，电芯阀排放入增压室30(如图3和图4中所示)中，以均衡总体的电芯间压力。增压室30进而具有单室泄压阀32以控制总体的电池气体或蒸气压力。在双射成型工艺之后，板需要进行金属化工艺，该金属化工艺涉及应用金属箔14、电沉积金属或可以包括一种或多种微量元素的其他材料(以便以图1中所示的形式形成金属化聚合物板2)。箔的成分可以取决于电池系统的化学组成，并且对于本实施例的铅双极电池1来说被选择为包含适当微量锡、钙、锑或硒或这些的混合物的铅合金。在其他电池化学组成的情况下，根据化学组成的要求使用替代性金属/合金，并应用微量的金属或非金属微量元素。
在非导电环绕物4的界限内，金属涂层被一致地涂覆到板的阴极侧和阳极侧两者的导电板表面。金属化层的厚度作为板的能量要求和尺寸的一部分而被确定，并且典型地为20微米至1000微米、优选地50微米至500微米、最优选地100微米至250微米厚。
可以使用表面激光焊接、声波焊接、脉冲焊接、超声波焊接、高频焊接或使金属表面材料跨越整个表面一致地附着的其他工艺来执行金属化层的涂覆，从而与双极板中的导电元件形成牢固的电连接、形成穿过板的电连接路径、跨越整个板表面提供一致且均匀的导电性。导电板的表面可以被预粗糙化或脊状/网格化，以改进跨越板的电均匀性并确保更好的粘附和导电性。
金属化板需要将活性材料涂覆到阴极表面，并且在铅化学组成的情况下，二氧化铅被涂覆到铅阴极板表面—参见图3和图4中的阴极材料层16。在其他电池化学组成的情况下，将使用替代性活性材料。类似地，阳极材料(例如，铅)沉积在板的相反侧上以形成阳极层28。
活性材料的量和厚度是根据电芯以安培小时为单位的总体能量需求和由所期望电压确定的板数量从板尺寸设计来确定的。
在铅化学组成的情况下，在包括对材料的‘烘箱固化’的工艺中将活性材料作为糊剂进行涂覆，以确保粘附力和均匀的一致性。
活性材料糊剂还可以包括粘附性增塑剂，以防止在固化、成型和充电/放电期间开裂。活性材料也可以通过电沉积、喷涂、3-D打印或其他可接受的方法进行涂覆，具体取决于化学组成、应用或板设计。
在铅化学组成的情况下，在50℃至80℃且通常50℃至55℃的温度范围内，固化过程典型地在24小时至72小时的范围内进行。
该示例(即，铅化学组成)中使用的电池1的电解质包含在由吸收性玻璃垫(AGM)181的外层和不透电解质的ABS蜂窝182的内芯形成的复合夹层18内，如图5中所示。ABS蜂窝具有保持电解质同时允许在充电和放电期间电流自由流动、析气和电解质循环的能力(不过可以使用其他电解质容座材料复合物)。一旦固化，具有活性材料的金属化板就单独地对齐以接受AGM/ABS蜂窝夹层18。将经电解质填充的复合物18放入由每个板的较深不对称的盘形阴极表面形成的盘状物19中。该实施例的设计提供了灵活性，以允许活性材料因放电期间展现的化学过程而膨胀，同时在阀控制的压力增大期间对可能的板挠曲提供约束。在铅化学组成的情况下，在充电阶段期间，气体将是氢气和氧气。
图5以图解方式示出了保持电解质的AGM和ABS蜂窝夹层的截面。AGM/蜂窝夹层的厚度是取决于涂覆到双极板表面的活性材料的量来选择的，但将典型地在1mm至20mm、优选地1mm至10mm、更优选地2mm至8mm的范围内。AGM/ABS蜂窝的大小和厚度也是取决于电芯的设计和能量需求来选择的，其中ABS蜂窝的相对厚度或其他等效物与电芯中所需的电解质的量有关。ABS蜂窝可增加刚性，同时允许电解质和气体移动。ABS蜂窝的孔隙度及因此孔隙尺寸将从基于能量及功率要求所需的电解质导电性和刚性确定。
在铅化学组成中，硫酸(H2SO4)的百分比在36％至38％的酸到64％至62％的蒸馏水之间，具体取决于所期望的规格。对于其他化学组成，电解质可以包括水或非水介质中的其他酸或非酸活性材料，其中电解质的浓度取决于给定的化学组成。
本实施例涉及应用经电解质填充的AGM/ABS蜂窝，其中所述组件背离具有精确量和成分的电解质的板构造，并且在铅化学组成的情况下，这被冷冻干燥以便于组装板环绕物并防止电解质污染板环绕物。在铅化学组成的示例中，冷冻干燥的温度范围为-50℃至-70℃，从而允许使用电解质添加剂以防止在正常使用中冻结。使用基于液体的电解质的其他化学组成将采用适合所使用的电解质和任何添加剂的不同冷冻干燥温度。背离板和摆脱冻结的构造有利地克服了精确的电解质成分和对电芯均匀填充的问题。这也可以有助于降低在电解质中形成气穴的风险。
作为使用AGM/ABS结构来将电解质保持在电池中的替代方案，可以使用利用电解质对电芯进行的真空填充。在这样的方法中，每个电芯将通过真空排放，接着是在高达2kgf/cm2的压力下通过电芯阀位置注入电解质，以实现电解质的快速填充。根据这种方法的填充可以在60秒内完成，但无法达到最大电解质填充水平。这种填充方法的问题在于，高压一直维持到填充工艺结束，其中，小空隙无法填充，因为空气无法逸出，从而影响电池的最终充电质量。然而，通过真空和填充的交替脉冲，可以从电芯完全抽取空气并实现总电解质饱和。
3-D打印或其他可接受的沉积可以被利用来制作整个电芯(包括板、长丝、活性材料和ABS蜂窝)，在这种情况下，也可以使用上文所描述的真空填充工艺来引入电解质。
在铅化学组成的示例中，在组装时，将经冷冻干燥的电解质/AGM/ABS蜂窝夹层放置在形成到板9的阴极面上的盘状物19中。选择盘状物的深度以确保所述电解质夹层18突出到板的盘形边沿上方，如图3和图4中所示。取决于电芯的电解质大小和化学组成，突出的范围可以在1mm与3mm之间，以便一旦堆被压缩就提供对AGM的所期望的压缩程度。
以基于铅的化学组成为例，在组装为单独的半电芯时，通过热量的受控应用(使用微波辐射、红外线或其他再加热工艺)使复合夹层中含水稀释H2SO4的经冷冻干燥的电解质恢复至环境温度，之后将其引入到以足够的压力组装至类似的半电芯，使得榫槽环绕物围绕这两个电芯的接头的整个周边均匀地接合，如图3和图4中所示。
使用电阻植入焊接以通过加热嵌入于板周边内部的榫突出物中的电阻线12将电芯气密密封，如下文所描述的。线的加热可以借助于磁感应或者AC或DC电阻加热来执行。
在最终组装期间，并且一旦电芯被组装但处于外部压力下，就通过在恒温下穿过电阻线或导电元件的高电流产生热量。电阻材料由于电阻损耗所致而升温，从而使周围的塑料软化。电芯的子组件中的周边榫槽接合的压力引起接头熔合，并在冷却时形成焊缝。电芯堆组件保持处于外部压力下，直到熔合的周边接头已冷却至环境温度，从而形成气密密封。
焊接是在恒温下进行，并且使用热电偶来监测焊接过程并根据需要调整电流和电压。恒温工艺的使用提供了更大的热均匀性。
用于电池板的金属电阻线植入物或导电塑料元件将根据所使用的塑料的成分而变化，并且在使用线的情况下，这将包括铜、钨、铅或镍长丝，其直径的范围为0.2mm与5mm之间，具体取决于板的大小。在一些情况下，取决于板大小、几何形状和化学组成，将应用多种线长丝或网状植入物。
电阻长丝工艺中包括导电塑料的沉积或3-D打印，以在板成型期间在外部非导电环绕物中有效地形成导电塑料的长丝。
如通过使用该实施例执行的板焊接存在几个优点，包括更光滑的内表面和焊接区、电阻线或网状长丝被保护而免受损坏、以及在焊接过程期间受控热传递在整个焊接区域中形成恒温。材料没有热损伤，并且围绕板接头的整个周边形成了无空隙的焊接区以实现总电芯完整性。在回收利用时，可以使用相同的工艺来分离板。
完成气密密封过程的其他可选的电芯焊接方法包括声波焊接和激光焊接，并且取决于化学组成、板的大小和其他因素而可能影响电芯封闭和密封方法。
电池1组装过程从具有盘形设计的底部金属化板8开始，该底部金属化板在阳极面上容纳活性材料和电解质/AGM/ABS蜂窝夹层或其他等效材料，并且仅在板的反面上进行金属化(即，单极板没有阴极侧)。
向该底板8添加完成的半电芯组件，在板处于水平平面中的情况下，每个板通过榫槽特征牢固地联结到另一个板以形成电芯堆，这确保了组件构造的完整性。在添加到堆的每个板9中，盘状物19确保在将板联结到其邻近者之前将电解质保持到位。所期望的电压决定了板的数量，其中最终的活动板是顶板6(阴极单极板)。阴极单极板6包括金属化板，该金属化板具有在上面的焊接箔(该焊接箔包括用于端子20的电极触点)、以及到下面的活性材料的阴极涂层16，如图3中所示。
在压力下，在水平定位的带有榫槽机构的电芯组件中，包括端板10的顶板组件联结至最上面的中间板(其为顶部阴极单极板6)，该榫槽机构确保在对板接头的电阻植入焊接之前的初次组装过程中电芯堆被密封。本实施例确保一贯高水平的密封，从而减少了现有技术电阻植入焊接的潜在的工艺中断。
一旦电芯堆已组装，就对该电芯堆进行测试以在电阻植入焊接完成且电池1进入电池成型工艺之前确保导电性的一致性。在用于本实施例中的工艺中的成型使用了比人工过程效率更高的自动化电源供应。自动化的益处包括提高的更好的电芯功率特性、制造生产率、生产成本的降低和更低的自然资源消耗。自动化装备结合了内部电路开关的控制器，其中电流接通和断开以便维持恒定的输出电压，也就是说，获得了稳定的电流源。这些装置由软件控制，该软件允许比使用模拟装备时更准确地选择电流值和应用时间。
该过程是在电芯堆已组装并在压力下进行的，之后进行电阻感应过程以将电芯气密密封。铅化学组成的示例中的成型时间的范围可以为10小时至72小时，其中初始期处于环境温度下而没有充电，以确保电解质与活性材料之间的化学反应开始。对于其他化学组成，可能适用不同的成型时间。
图6中示意性地示出了根据本发明的另一个实施例的双极电池41的一部分。双极电池41由双极板的堆构造而成，这些双极板与用于形成根据本发明的第一实施例的双极电池1的双极板类似。因此，在根据本发明的第二实施例的双极电池41包括根据本发明的第一实施例的双极电池1中存在的特征的情况下，那些特征已指派有相同的附图标记，但以“4”作为前缀。例如，根据本发明的第一实施例的双极电池1包括板9，而根据本发明的第二实施例的双极电池41包括板49。
图6示出了两个双极板49的堆，每个双极板在相反侧上提供阳极428和阴极416，其中包含电解质的蜂窝层418位于阳极与阴极之间。双极板49各自包括形成在其非导电环绕物44中的排气系统50。排气系统50包括设置在非导电环绕物44中的导管52，该导管使得实现双极板49的包含电解质的内部区域60与包含电解质的外部储器54之间的流体连通。导管52的内直径小(在这种情况下为大约1毫米)，该内直径的尺寸被设置为限制电解质从包含电解质的区域60流入储器54中。储器54包括由非导电环绕物44的一侧形成的基底541以及从非导电环绕物44的那侧突出的相对壁542。在储器54的壁542之间提供透气性膜55以将电解质保留在储器54内，同时准许在电池充电期间产生的气体排放物逸出到增压室430中。如可以看出，图5中所示的两个板49的排气系统50将气体排放入增压室430中，使得板49的包含电解质的区域60内部的压力均衡。增压室设置有至少一个压力释放阀432，以确保增压室430不会过压。泄压阀的数量可以比双极板少。在图6中，示出了两个泄压阀。
示例2
现在将参考图7来描述根据本发明的实施例的制造用于双极电池中的双极板500的方法。将ABS粒料和镀锡碳纤维的混合物501置于挤出机503中并挤出以形成厚度为大约1毫米的导电聚合物板505。导电聚合物板505的厚度是经由挤出机503的压延辊504来控制的。在一些实施例中，挤出机可以包括用于冷却板的冷却系统。在导电聚合物板505离开挤出机503时，导电聚合物板505的两个相反表面507、508经历激光蚀刻处理510。激光蚀刻步骤去除了导电聚合物板505的大约5微米的外表面层，以确保镀锡碳纤维暴露在导电聚合物板505的表面上。
在本发明的一些实施例中，挤出机503可以被配置为挤出波纹状导电聚合物板605(比如，图8中示意性地示出的波纹状导电聚合物板)，使得双极板的导电聚合物芯是波纹状的。波纹状导电聚合物芯不仅增加了表面积，而且还可以向双极板提供增加的刚度。
然后，导电聚合物板505经历图9中所展示的金属化工艺。导电聚合物板505首先经历电镀工艺700以在导电聚合物板505的两侧上提供厚度为大约30微米的电镀铅层701。
在这种情况下，导电聚合物芯的阴极侧518需要比阳极侧519更厚的金属化层，因此使用冷喷涂工艺702来增加阴极侧518上的金属层的厚度。通过喷嘴喷射气体和铅/铅合金粉末705的加压射流，以在导电聚合物板505的阴极侧518上的电镀铅层701上沉积厚度为120微米的铅/铅合金冷喷层707。这在导电聚合物板505的阴极侧518上提供了总厚度为150微米的金属化层。
然后，使用剪床将金属化导电聚合物板505切割511成尺寸为大约300×300的单独的导电聚合物芯512。
然后，将导电聚合物芯512送入注射成型机514中，在该注射成型机中，导电聚合物芯512被包覆成型以向导电聚合物芯512提供由纯ABS制成的注射成型的非导电聚合物环绕物516。在本发明的其他实施例中，可以使用其他聚合物和/或聚合物可以包含添加剂，比如阻燃剂、填料和非导电增强纤维517。因此，这种制造技术提供了生产共成型的导电聚合物芯和一体地形成的非导电聚合物环绕物的方法的替代方案。
通过使用以下有序条款来描述本发明的进一步实施例：
条款A.一种可以以多种化学组成和任何3D形状因数使用的可批量生产的双极电池，其利用形成为一系列气密密封的电芯的导电聚合物材料板和类似热塑性成分的非导电环绕物；消除了与双极电池架构相关联的传统问题。向导电板的正表面和反表面提供金属化表面，其中活性材料结合到金属化表面，从而形成到正面的阳极以及到反面的阴极，并且电解质溶液包含在每个电芯内。可选地，其夹在通过板周边处的联锁榫槽布置结构密封的活性材料之间以形成所述电芯，并且这些布置在多个层中以形成电池堆。可选地，附加地，压力释放阀结合到与每个板的阴极侧相邻的非导电边沿中的单个向上定位的孔口中。可选地，单极端板包括具有非导电环绕物的相同的导电聚合物板，其为金属化的，但具有到一个端板的活性阳极材料以及到另一端板的活性阴极。可选地，两个单极端子板结合了具有结合的端子的非导电端板，并且这种布置整个地被装入刚性聚合物电池罩壳中。
条款B.根据条款A所述的物品，其中，双极板和单极板是使用确定的一系列聚合物中的任一者来构造的，这些聚合物抵抗给定的电解质并能耐受电芯操作温度，包括使用在导电板内混合的给定导电长丝来配置这些聚合物，以便在其导电表面中的任何点处通过板提供均匀的导电性。
条款C.根据条款B所述的物品，借此聚合物和导电元件可以由具有不同温度和电解质防腐特性的一系列热塑性聚合物制成，并且选择导电长丝，从而使得该技术能够应用于任何电池化学组成。
条款D.根据任一前述条款所述的物品，其中，双极板和单极板在双射工艺中使用具有导电元件的给定聚合物和不具有导电元件的相同聚合物成型而成，从而确保板具有对于给定板不可缺少的非导电环绕物。
条款E.作为前述条款的替代方案的物品，其中，双极板和单极板通过挤出过程成型而成，并且添加非导电环绕物以作为单独的包覆成型工艺。
条款F.根据条款A至C中任一条款所述的物品，借此双极板和单极板通过3-D打印导电长丝以及随后用熔融热塑性聚合物淹没所述长丝来构造，以实现正确的深度和对齐，从而确保板导电性达到所期望的水平。可选地，向此添加呈类似的热塑性聚合物的环绕物，以完成单极板或双极板尺寸。
条款G.根据条款D和E所述的物品，其中当双极板和单极板通过电阻植入焊接熔合时，形成到每个板的非导电环绕物的环绕物在组装到电芯堆中时成为外部电池壳。
条款H.根据任一前述条款所述的物品，其中，双极板和单极板用任何金属物质进行金属化，该金属物质可以是纯的或包含微量元素或者是合金，并且金属化工艺包括任何形式的焊接，该焊接熔化板的导电方面的聚合物表面，由此暴露导电元件并在导电元件与金属化材料之间形成均匀的电子熔合，该金属化材料被均匀地涂覆到每个双极板和单极板的正反面。
条款I.根据条款D和E所述的物品，其中，到每个双极板的非导电环绕物成型有榫槽布置结构，借此每个板在板的阳极侧上具有周边榫并且在板的阴极侧上具有对应的周边槽，以便压力组装的电芯牢固地贴合一起而没有泄漏。可选地，单极板具有到底部组装板的、到该板的上边沿和下边缘两者的榫布置结构，并且上部组装单极板具有到上边缘的3mm榫布置结构以及到下边沿的3mm槽。可选地，取决于总体板设计，榫槽的直径在2mm至10mm的范围内，但理想地在3mm至4mm的范围内。
条款J.根据条款I所述的物品，其中，每个双极板和单极板中的榫具有电线或导电网状元件，该电线或导电网状元件嵌入到其中达整个圆周并具有外部电极，从而使得一旦榫和槽在组装期间完全接合，就能够将电线元件加热5秒至20秒左右，借此完全围绕每个电芯接口的整个周边接头来电阻植入焊接榫槽接头。可选地，加热时间取决于榫的直径和板的总体周边尺寸。
条款K.根据任一前述条款所述的物品，其中，已组装的电芯堆已结合了刚性热塑性聚合物端板(例如，见图4的条目10)，以防止单极板在充电过程期间因气体或蒸气排放而变形，其中端板的周边槽被成型到整个圆周，从而使得能够牢固组装和电阻植入焊接周边接头。可选地，取决于电池尺寸，端板的厚度在10mm至50mm的范围内。
条款L.根据条款J所述的物品，其中，刚性聚合物端板被构造为允许端子通过板电连接件到达相邻单极板(例如，参见图4的标记为条目20的端子)，且该连接件由导电聚合物制成。
条款M.根据任一前述条款所述的物品，其中，电解质包含在活性玻璃垫(AGM)和聚合物蜂窝(例如，见图4，条目18)芯构成的复合夹层中。可选地，在铅化学组成的示例中，将ABS聚合物用于蜂窝。可选地，该复合物的厚度取决于电解质体积以及与板相同的聚合物材料，由此在作为充电过程一部分的氢气和氧气流出(issue)期间提供对板变形的抑制，其中蜂窝孔隙尺寸在100微米与2000微米之间、优选地在300微米至1500微米之间、更优选地在500微米至1000微米之间—例如，取决于电解质粘度。
条款N.根据条款M所述的物品，其中，作为用于处理电芯的组件的工艺，用给定浓度下的一定量的电解质使AGM和ABS蜂窝的复合夹层饱和，并将其冷冻干燥至低于电解质冰点的温度，而不会污染板环绕物，并且一旦组装到板中，就通过红外线或微波重新加热来使其恢复到环境温度。
条款O.根据条款M所述的物品，其中，通过脉冲真空填充方法，用给定浓度下的一定量的电解质使AGM和ABS蜂窝的复合夹层饱和，借此通过止回孔口将电解质吸取到电芯中并且使用交替真空脉冲通过真空通过同一孔口来抽取空气。
条款P.根据任一前述条款所述的物品，其中双极电池被装入较大的容器中，从而使得该电池能够适合其进行更换的较大电池的空间。可选地，所述容器构造将具有热塑性聚合物、金属或由电池尺寸、形状或化学组成确定的其他材料，并且该容器包括用于装配到安装件的端子配件、布线和保护壳体，并且可选择密封。
条款Q.一种物品，包括：
a)由电解质惰性导电聚合物成型而成的一个或多个板的双极电芯堆的构造，其结合了非导电板环绕物，其中每个板的导电区域被金属化并向每个面向电解质的平面涂覆有活性材料；
b)每个单极板和双极板具有周边榫槽设计，以便将这些板牢固地联结；
c)每个板的周边榫已穿过整个周边嵌入了金属长丝，使得已组装的榫槽接头可以进行电阻植入焊接以提供强健的密封；
d)位于每个板之间的是AGM和聚合物蜂窝的复合物以保持电解质，同时维持电芯刚性；以及
e)非导电端板被电阻植入焊接到单极端子板，以提供端板刚性。
当然，将了解，关于本发明的一个实施例(或以上条款)所描述的特征可以并入到本发明的其他方面中。
虽然已参考特定实施例描述和展示了本发明，但本领域普通技术人员将了解，本发明适用于本文未具体展示的许多不同变型。
可能不需要在添加活性(阳极或阴极)材料之前对聚合物板进行金属化，特别是对于阳极而言，在任何情况下，该阳极可能主要包括铅。
如果在前面的描述中提到具有已知、明显或可预见的等效物的整体或元件的情况下，则将这些等效物并入本文，就如同单独阐述一样。应参考条款以便确定本发明的真实范围，这些条款应被解释为以便包括任何这样的等效物。读者还将了解，本发明的被描述为优选、有利、方便等的整体或特征是可选的，并且不限制独立条款的范围。此外，将理解，这样的可选的整体或特征尽管在本发明的一些实施例中可能有益，但在其他实施例中可能不合意，且因此可能不存在。

Claims (17)

1.一种制造适合用作双极电池中的双极板的板的方法，其中，该方法包括如下步骤：
-挤出包含导电颗粒的第一聚合物以形成导电聚合物板，
-从该导电聚合物板上切割出该板的导电聚合物芯，以及
-用第二聚合物包覆成型该导电聚合物芯，以向该导电聚合物芯提供非导电聚合物环绕物，该非导电聚合物环绕物的厚度大于该导电聚合物芯的厚度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在从该导电聚合物板上切割出该双极板的导电聚合物芯的步骤之前，对该导电聚合物板的表面中的至少一个进行磨蚀以暴露这些导电颗粒。
3.如权利要求2所述的方法，其中，该磨蚀步骤包括：在该导电聚合物板离开该挤出机时，对该导电聚合物板的该至少一个表面进行磨蚀。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中，该磨蚀步骤包括：对该导电聚合物板的该至少一个表面进行激光蚀刻。
5.如任一前述权利要求所述的方法，其中，在该包覆成型步骤之前，将该导电聚合物芯冷却至室温。
6.如任一前述权利要求所述的方法，其中，该挤出导电聚合物板是波纹状的。
7.如任一前述权利要求所述的方法，其中，该方法包括如下步骤：在导电聚合物板的第一侧上提供第一厚度的第一金属层，并且在该导电聚合物板的第二侧上提供第二更大厚度的第二金属层。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该第一金属层的至少一部分或该第二金属层的至少一部分通过电镀到该导电聚合物板的表面上而形成。
9.如权利要求7或权利要求8所述的方法，其中，该第一金属层的至少一部分或该第二金属层的至少一部分通过冷喷涂而形成。
10.如权利要求9所述的方法，当从属于权利要求8时，其中，该第二金属层的第一部分通过电镀到该导电聚合物板的表面上而形成，并且该第二金属层的第二部分通过冷喷涂到该电镀的第一部分上而形成。
11.如权利要求10所述的方法，其中，该第一金属层的至少一部分通过电镀到该导电聚合物板的表面上而形成，并且该第一金属层的该至少第一部分的厚度等于该第二金属层的该第一部分的厚度。
12.一种制造双极电池的方法，包括：
-使用如任一前述权利要求所述的方法来制造多个板，
-由该多个板形成堆并将这些板夹在两个单极板之间，
其中，该堆是通过以下步骤形成的：
-将电解质材料放入由第一板形成的盘状物中，该盘状物包括由该第一板的金属层提供的基底和由该第一板的非导电环绕物限定的侧部，
-将该第一板的非导电环绕物与第二板的非导电环绕物接合，使得该第二板的金属层和该第一板的盘状物限定包含该电解质材料的室，该电解质材料由此定位在该第一板和该第二板中的一个的阳极层与该第一板和该第二板中的另一个的相对的阴极层之间。
13.一种制造适合用作双极电池中的双极板的板的方法，其中，该方法包括如下步骤：
-提供导电聚合物板以用于形成双极板的导电聚合物芯，
-对该导电聚合物板的至少一侧进行冷喷涂，以在导电聚合物板的该至少一侧上提供金属层。
14.一种制造适合用作双极电池的双极板的板的方法，其中，该方法包括如下步骤：
-提供导电聚合物板以用于形成双极板的导电聚合物芯，
-对该导电聚合物板的表面中的至少一个进行磨蚀以暴露该导电聚合物板的导电颗粒，
其中，该磨蚀步骤包括：对该导电聚合物板的至少一个面进行激光蚀刻。
15.一种双极电池，包括夹在两个单极板之间的多个双极板的堆，其中，
这些双极板各自包括挤出导电聚合物芯，因此具有基本上恒定的截面，该芯被成型到非导电聚合物环绕物，在该双极板的一侧上存在阳极材料层，并且在该双极板的相反侧上存在阴极材料层，
该电池包括罩壳，该阳极材料层和该阴极材料层包含在该罩壳内，
该罩壳至少部分地由所有这些双极板的非导电聚合物环绕物形成。
16.如权利要求15所述的双极电池，其中，该挤出导电聚合物芯的恒定截面包括不同厚度的一个或多个区段，例如包括一个或多个肋。
17.如权利要求15或16所述的双极电池，其中，该挤出导电聚合物芯的恒定截面包括不同高度的一个或多个区段，例如包括一个或多个波纹。
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