DE69508714T2

DE69508714T2 - Faserförmige Elektrode enthaltende Batterie

Info

Publication number: DE69508714T2
Application number: DE69508714T
Authority: DE
Inventors: Lin R. Higley
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1994-12-06
Filing date: 1995-12-01
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2015-12-02
Also published as: US5492782A; EP0716466A1; DE69508714D1; JPH08264203A; EP0716466B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine elektrische Speicherbatterie, und insbesondere eine solche Batterie mit einer hohen Speicherkapazität.
Speicherzellen sind elektromechanische Vorrichtungen zum Speichern und Halten elektrischer Ladung und zum späteren Liefern der Ladung bei einer nutzbaren Spannung und als nutzbarer Strom. Mehrere solcher Speicherzellen sind typischerweise elektrisch miteinander verbunden, um eine Batterie zu bilden, die eine spezifische Spannungs- oder Strom-Lieferfähigkeit besitzt. Die Batterie kann entweder eine nicht wiederaufladbare oder eine wiederaufladbare Batterie sein. Bekannte Beispiele für die nicht wiederaufladbare Batterie sind die Trockenzellen, die in vielen Taschenlampen, Spielzeugen und ähnlichem verwendet werden. Bekannte Beispiele für die wiederaufladbare Batterie sind die Blei-Säure-Batterie, die in Automobilen verwendet wird, und die Nickel-Cadmium-Batterie, die in tragbaren elektronischen Geräten, wie bspw. Kameras, verwendet wird.
Eine der anhaltenden Herausforderung für die Hersteller bestimmter Batterietypen besteht in der Erhöhung deren Speicherkapazität pro Batteriegesamtgewicht und/oder pro Batteriegesamtvolumen. Beispielsweise müssen in Raumfahrzeugen verwendete Batterien sowohl leicht als auch kompakt sein, da sie von der Erde in den Weltraum transportiert werden. Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, müssen für das verfügbare Gewicht und Volumen so viel Kapazität wie möglich liefern, da das Gewicht den Preis pro Mile beeinflußt und das Volumen die Überlegungen bezüglich der Gestaltung.
Viele unterschiedliche Lösungswege wurden beschritten, um die Speicherkapazität von Batterien zu erhöhen. Unterschiedliche Batterietypen, Geometrien und Konstruktionstechniken wurden verwendet. Bei einem Weg von Interesse wurden die Zellen einer keramischen Wabenstruktur mit Elektroden und einem Elektrolyt gefüllt. Eine geringe Wabengröße kann zu einer verbesserten Speicherkapazität führen. Allerdings erfahren solche Batterien typischerweise im Hinblick auf ihre Betriebsdauer relativ früh intern verursachte Beschädigungen, und können bei langlebigen Anwendungen nicht verwendet werden.
Eine Batterie ist aus dem Dokument DE-B-11 94 472 bekannt, wobei die Batterie eine Vielzahl von Faseranoden, eine Vielzahl von Faserkathoden, die mit den Faseranoden und einem zwischen den Faseranoden vorgesehenen Elektrolyt gebündelt sind, und einem Gehäuse, das die Anoden, die Kathoden und den Elektrolyt umgeben, wobei ein Ende jeder Faseranode sich aus einer ersten Endplatte und einem ersten Ende der Batterie heraus erstreckt, und wobei ein Ende jeder Faserkathode sich aus einer zweiten Endplatte an einem zweiten Ende der Batterie heraus erstreckt.
Es gibt ein anhaltendes Bedürfnis für eine verbesserte Lösung einer Batteriekonstruktion, um die Speicherkapazität pro Gesamtgewicht oder Volumen der Batterie zu verbessern. Die vor liegende Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis, und liefert ferner damit verbundene Vorteile.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt einen Batterie-Aufbau und ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung. Die Batterie besitzt eine hohe Energiespeicherdichte bezüglich Gewicht und Volumen, und kann einen hohen Strom liefern. Die Batterie wird einfach in einer Plattenkonfiguration ausgebildet, die in einer Vielzahl von Entwurfssituationen nützlich ist. Das heißt, daß die Batterie als sehr dünn, aber hinsichtlich der seitlichen Ausdehnung groß entworfen werden kann. Es gibt ein großes Maß an Entwurfsflexibilität, während geringe Basiskosten erhalten bleiben.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine Batterie eine Vielzahl von Faseranoden, eine Vielzahl von Faserkathoden, die mit den Faseranoden gebündelt sind, und einen Elektrolyt zwischen den Faseranoden und den Faserkathoden. Ein röhrenförmiges nachgiebiges Seitengehäuse umgibt die Faseranoden, die Faserkathoden und den Elektrolyt seitlich. Eine nachgiebige Endplatte ist an jedem Ende des Seitengehäuses abdichtend angebracht. Ein Ende jeder Faseranode erstreckt sich aus einer ersten Endplatte an einem ersten Ende der Batterie, und ein Ende jeder Faserkathode erstreckt sich aus einer zweiten Endplatte an einem zweiten Ende der Batterie.
Jedes Elektrodenpaar aus Faserkathode und Faseranode stellt eine Zelle dar. Da die Elektroden typischerweise einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,02 cm (0,008 Inches) bis etwa 0,127 cm (0,050 Inches) in der bevorzugten Version haben, ist die Größe jeder Zelle ziemlich gering. Nur eine relativ geringe Menge eines aktiven Materials wird für jede Faserkomponente benötigt. Indem die Anzahl der positiven und negativen Fasern sorgfältig angepaßt wird, gibt es in jeder Zelle einen geringen verschwendeten Raum oder Gewicht, und es gibt ein hohes Niveau bezüglich der Verwendung von aktivem Material. Die Elektroden und der Elektrolyt können aus einem beliebigen innerhalb eines weiten Bereichs einsatzfähiger Materialien sein, und die Batteriestruktur der Erfindung kann deshalb aus vielen unterschiedlichen Anoden/Kathoden/Elektrolyt-Typen hergestellt sein. Die individuellen Zellen werden mit anderen Zellen zusammengesetzt, um die Kapazitäts- und Material-Ausgewogenheit der Batterie auf spezifische Anwendungsbedürfnisse maßzuschneidern, so daß die Batterie den gleichen optimierten Aufbau, das hohe Niveau an aktivem Material und eine hohe Gewichts- und Volumen-Effizienz wie die individuellen Zellen aufweist.
Ein Schlüsselmerkmal der Erfindung ist die Verwendung eines nachgiebigen Seitengehäuses und der nachgiebigen Endplatten. In einigen früheren Entwürfen, wie bspw. in einem Wabenentwurf, hatte die Batterie nur eine geringe interne Nachgiebigkeit an den Wänden und an den Enden. Wenn die Batterieelektroden während des gewöhnlichen Lade/Entlade-Zyklus ihre Abmessungen nur leicht veränderten, tendierten die sich daraus ergebenden Spannungen dazu, interne Brüche und Brüche in dem Gehäuse zu verursachen. Das nachgiebige Gehäuse und die Endplatten, die aus einem Material mit elastischer Nachgiebigkeit gebildet sind, verhindern solche Spannungen und führen zu einer verlängerten Batterielebensdauer.
Gemäß einem Herstellungsgesichtspunkt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Fertigen einer Batterie die Schritte: Vorsehen einer Vielzahl von Faseranoden und einer Vielzahl von Faserkathoden, Anordnen der Vielzahl von Faseranoden und der Faserkathoden parallel zueinander und in einer gebündelten Weise innerhalb eines fließenden bzw. fließfähigen Elektrolyten, und Anbringen eines Seitengehäuses, das aus einem Material mit elastischer Nachgiebigkeit gebildet ist, wobei das Seitengehäuse die Faseranoden, die Faserkathoden und den Elektrolyt seitlich umgibt. Eine Endplatte, die aus einem Material mit elastischer Nachgiebigkeit gebildet ist, ist auf jedes Ende des Seitengehäuses aufgebracht, so daß ein Ende jeder Faseranode sich aus einer ersten Endplatte an einem ersten Ende der Batterie erstreckt und daß ein Ende jeder Faserkathode sich aus einer zweiten Endplatte an einem zweiten Ende der Batterie erstreckt. Die Faseranode ist vorzugsweise hergestellt, indem eine Faser durch eine Masse einer negativen Batteriepaste durchgezogen wird, so daß die Batteriepaste an der Faser anhaftet, und indem die Batteriepaste gehärtet bzw. getrocknet wird. Die Faserkathode wird ähnlich hergestellt, indem eine Faser durch eine Masse einer positiven Batteriepaste gezogen wird, so daß die Batteriepaste an der Faser anhaftet, und indem die Batteriepaste gehärtet bzw. getrocknet wird.
Die erfindungsgemäße Batterie kann relativ preiswert in dem bevorzugten Lösungsweg bei einer Massenproduktion der Anoden und Kathoden hergestellt werden. Fasern eines nicht metallischen elektrischen Leiters, wie bspw. Kohlenstoff oder einem metallischen elektrischen Leiter, wie bspw. Aluminium, Kupfer oder bleibeschichtetem Titan, werden durch eine Elektrodenpaste gezogen, und die Paste wird gehärtet. Die Faserelektroden wer den dann auf die erforderliche Länge geschnitten und in einer verschachtelten Weise abgelegt. Das Gehäuse und die Endplatten werden dann angebracht, indem ein härtbares Elastomer oder ein anderes Material mit elastischer Nachgiebigkeit über das sich ergebende Array gegossen wird und indem das Elastomer ausgehärtet wird. Die Fasern sind so angeordnet, daß die Faseranoden sich aus der gegossenen Endplatte erstrecken und die Faserkathoden sich aus der anderen gegossenen Endplatte erstrecken. Die freigelegten Enden werden abgeschnitten, entweder in einer Ebene mit der Endplatte oder mit einer geringen freiliegenden Länge, und die metallische Elektrode wird durch Schwall-Löten vorgesehen. Mit dieser Lösung wird eine allgemein planare Batterie mit einer großen Elektrodenoberfläche und einer beliebig großen seitlichen Ausdehnung leicht hergestellt.
Die vorliegende Erfindung liefert eine wichtige Verbesserung bezüglich der Batteriestruktur und der Herstellung. Die erfindungsgemäße Batterie besitzt eine hohe Energiespeicherdichte und kann einen hohen Entladestrom aufgrund des relativ geringen inneren Widerstandes liefern, der sich aus dem dünnen planaren Design ergibt. Das ungenutzte Volumen und Gewicht ist gering. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen beispielhaft die Prinzipien der Erfindung dargestellt sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Batterie gemäß der Erfindung, wobei ein Teil eines Endes entfernt ist, um die inneren Merkmale darzustellen;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines inneren Bereichs der Fig. 1;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Aufriß-Darstellung eines Bereichs einer einzelnen Anode;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Aufriß-Darstellung eines Bereichs einer einzelnen Kathode;
Fig. 5 ist eine Vergrößerung eines Gehäuseabschnitts von Fig. 1;
Fig. 6 ist eine Seitenschnitt-Darstellung eines Abschnitts der Batterie von Fig. 1, wobei der Schnitt entlang der Linien 6-6 genommen wurde;
Fig. 7 ist eine Seitenschnitt-Darstellung eines Bereichs der Batterie von Fig. 1, wobei das äußere Gehäuse entfernt ist;
Fig. 8 ist ein Verfahrens-Flußdiagramm für die Herstellung der Batterie der Erfindung;
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen beschichteter Elektrodenfasern; und
Fig. 10 ist eine perspektivische Darstellung einer Batterie mit hexagonaler Form.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 stellt eine Batterie 20 entsprechend der vorliegenden Erfindung dar. Die Batterie 20 ist vorzugsweise eine plattenähnliche Batterie, wobei die Batterie relativ dünn verglichen mit deren seitlicher Abmessung ist. (Diese Beziehung der relativen Abmessungen kann in der Ansicht von Fig. 1 nicht erkannt werden, die nur einen Abschnitt der seitlichen Ausdehnung der Batterie 20 darstellt.)
Die Batterie 20 wird mit einer Vielzahl von verschachtelten Faserelektroden gebildet, wie in Fig. 2 gezeigt. In der in Fig. 3 gezeigten bevorzugten Struktur umfaßt jede Faseranode 22 eine zentrale elektrisch leitfähige Anodenfaser 24, die als ein Stromkollektor agiert, und eine Schicht 26 aus einem Anodenaktiven Material, die die Anodenfaser 24 umgibt. Die Faseranode 22 hat eine allgemein zylindrische äußere Form. Die Zusammensetzung der Anodenfaser 24 und des Anodenaktiven Materials 26 wird von dem genauen Batterietyp abhängen. In einem typischen Fall ist die Anodenfaser 24 ein Metall, bspw. Blei, und das aktive Material 26 eine herkömmliche getrocknete negative Batteriepaste. Die Anodenfaser 24 kann beschichtet sein, um deren elektrische Leistung in ihrer Kollektorrolle zu verbessern.
Eine Faserkathode 28, die in Fig. 4 detaillierter gezeigt ist, umfaßt eine zentrale elektrisch leitfähige Kathodenfaser 30, die als ein Stromkollektor wirkt, und eine Schicht 32 aus einem Kathoden-aktiven Material, die die Kathodenfaser 30 um gibt. Die Faserkathode 28 hat eine allgemein zylindrische äußere Form. Die Zusammensetzung der Kathodenfaser 30 und des Kathoden aktiven Materials 32 wird von dem genauen Batterietyp abhängen. In einem typischen Fall ist die Kathodenfaser 30 Graphit oder Metall, und das aktive Material 32 ist eine herkömmliche getrocknete positive Batteriepaste. Die Kathodenfaser 30 kann auch wenn gewünscht beschichtet sein, um deren Leistungsfähigkeit zu verbessern.
Zumindest eine jeder Faseranode 22 oder jeder Faserkathode 28 ist bedeckt mit einer Trennschicht 34, um einen Kurzschlußkontakt zwischen der Anode 22 und der Kathode 28 zu verhindern. In dem bevorzugten Fall ist jede der Faseranoden 22 mit einer Textilglasfaser-Hülle als Trennschicht 34 bedeckt, deren Enden mit Epoxidharz abgedichtet sind.
Die Faseranoden 22 und die Faserkathoden 28 sind in einer abwechselnden verschachtelten Weise angeordnet, wie in Fig. 2 dargestellt. In dieser bevorzugten Form sind die Elektroden 22 und 28 in abwechselnden Schichten angeordnet. Die Elektroden sind auch so angeordnet, daß alle Anodenfasern 24 sich aus einem ersten Ende 36 der Batterie 20 erstrecken, und alle Kathodenfasern 30 sich aus einem zweiten Ende 38 der Batterie 20 erstrecken. Die Ansicht von Fig. 2 erfolgt von dem ersten Ende, so daß nur die länglichen Anodenfasern 24 zu sehen sind. Die Kathodenfasern 30 erscheinen nur mit ihren Enden, aber erstrecken sich in einer länglichen Weise aus dem zweiten Ende 38 der Batterie 20. Diese Anordnung ist des weiteren in Fig. 7 dargestellt, einer vergrößerten Seitenansicht eines Bereichs der Batterie 20, aber ohne die Endverbindungen zu zeigen.
Die Zwischenräume 40 zwischen den Faseranoden 22 und den Faserkathoden 28 werden mit einem Elektrolyt, wie bspw. Schwefelsäure im Falle einer Blei/Säurebatterie, gefüllt. Abdichtbare Kombinationsentlüftungs- und Füllöcher 42 sind in den Enden der Batterie 20 vorgesehen, um einen inneren Druck abzulassen und einen Elektrolyt hinzuzufügen, wenn die Batterie 20 verwendet werden soll.
Die Batterie 20 ist an deren seitlichen Seiten durch ein nachgiebiges Gehäuse 44 begrenzt, das auch ein elektrischer Isolator ist. Wie hier verwendet, ist ein nachgiebiges Gehäuse ein Gehäuse, das aus einem Material gefertigt ist, das eine hohe elastische Nachgiebigkeit besitzt, wenn das Innere der Batterie 20 sich ausdehnt oder sich zusammenzieht. Wenn eine Batterie geladen oder entladen wird, verändert sich ihr Volumen leicht. Falls das Gehäuse 44 starr wäre, bspw. aus einem starren Keramikmaterial oder einem starren Metall, würden die inneren Volumenveränderungen Spannungen erzeugen, die innere oder Oberflächen-Brüche innerhalb der Batterie hervorrufen könnten. Innere Brüche würden die Speicherkapazität der Batterie reduzieren, während Oberflächen-Brüche ein Auslaufen des Elektrolyten verursachten.
Das bevorzugte Material des nachgiebigen Gehäuses 44 ist ein Elastomer oder ein nachgiebiger Kunststoff. Bei einem Ansatz ist das bevorzugte Elastomer gießfähig. Das heißt, daß es in einer flüssigen Form zur Verfügung gestellt wird, das in eine Gußform geschüttet wird, die das Array der Elektroden 22 und 28 umgibt, und dann in eine gehärtete aber nachgiebige feste Form ausgehärtet wird. Ein bevorzugtes Elastomer ist ein elastisches Epoxidharz, wie bspw. ein Epmar® flexibles Epoxid harz. Andere Gehäusematerialien können bspw. extrudiertes Polyvinylchlorid, Polyolefin, Polypropylen oder Noraprene® Kunststoff umfassen. Das Gehäuse 44 ist in der gehärteten Form vorzugsweise etwa 0,127 cm (0,050 Inches) dick. Optional kann ein dünnes metallisches Gehäuse 45 über dem Gehäuse 44 vorgesehen sein, um Durchstöße zu verhindern und um die Handhabungs- und Anbringungs-Eigenschaften der Batterie zu verbessern, wie in Fig. 6 gezeigt. Das Gehäuse, falls vorhanden, ist nicht eng über das Gehäuse 44 angepaßt, so daß das Gehäuse 44 sich nachgiebig ausdehnen und zusammenziehen kann während der Lade/Entlade-Zyklen im Betrieb. Ein gewünschter Ansatz besteht darin, das Gehäuse 45 gewellt auszubilden, um ein Ausdehnen und Zusammenziehen während des Betriebs zu ermöglichen, wie in Fig. 5 gezeigt.
Fig. 6 stellt die Anschlußverbindungen, in diesem Fall an dem ersten Ende 36 mit den Anodenfasern 24 dar. (Die Anschlußverbindungen mit den Kathodenfasern sind an dem anderen Ende und sind bezüglich der Struktur gleich ausgebildet.) Eine nachgiebige Endplatte 46 wird an dem ersten Ende 36 über die Anodenfasern 24 gesetzt, die von dem ersten Ende 36 sich erstrecken. Die nachgiebige Endplatte 46 ist vorzugsweise aus einem gießfähigen nachgiebigen Material, wie das mit Bezug auf das nachgiebige Gehäuse 44 diskutierte, gefertigt und dort angebracht. Die nachgiebige Endplatte 46 ist vorzugsweise an Ort und Stelle gegossen und ausgehärtet, entweder gleichzeitig mit dem Gießen und Aushärten des Gehäuses 44, oder zu einem späteren Zeitpunkt, falls dies im Herstellungsprozeß günstiger ist. Die Endplatte 46 ist aus dem gleichen Grund wie das Gehäuse 44 nachgiebig ausgebildet, um eine Entlastung für innere Spannungen zu liefern, die andernfalls innerhalb der Batterie während der sich wiederholenden Lade/Entlade-Zyklen aufgebaut würden. Die Endplatte 46 ist auch elektrisch isoliert, um eine allgemeine Isolation zu erreichen und um eine elektrische Verbindung mit nur einer Menge an Elektroden an einem Ende zu ermöglichen.
Eine metallische Kollektorplatte 48 wird über die nachgiebige Endplatte 46 gesetzt. Bevor die Kollektorplatte 48 aufgesetzt wird, werden die Enden der Elektrodenfasern, hier die Anodenfasern 24, auf eine gleichmäßige Länge geschnitten. Die Anodenfasern 24 können mit der Oberfläche der Endplatte 46 bezüglich ihrer Länge egalisiert werden, oder können sich vorzugsweise aus der Endplatte 46 um ein geringes Maß strecken. Die Kollektorplatte 48 ist ein Metall, wie bspw. Blei, mit einem geringen Schmelzpunkt, und wird mittels einer Technik, wie bspw. Schwall-Löten, angebracht, so daß die gesamte Batterie 20 nicht auf eine erhöhte Temperatur erhitzt werden muß.
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, das das Herstellungsverfahren zusammenfaßt, das zur Fertigung einer funktionsfähigen Batterie 20 verwendet wurde. Das Verfahren ist allgemein anwendbar, aber in der nachfolgenden Diskussion wird das spezifische Verfahren zur Fertigung einer arbeitenden Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden. Diese Batterie war eine Blei/Säurebatterie.
Die negativen Faseranoden 22 wurden hergestellt, Bezugszeichen 50. Die Anodenfaser 24 wurde aus einem Material, wie bspw. Blei, bleibeschichtetem S-Glas, oder Kupfer hergestellt, die optional mit einer Kohlenstoffaser umwickelt sein kann. Wenn die Kohlenstoffumwicklung verwendet wird, kann die Anodenfaser 24 mit einer dünnen Schicht aus einem anderen Material, bspw. Zinnoxid (SnO&sub2;) oder einer Barium-Antimon-Legierung (BaSb) im Falle einer Metall-Faser vorbeschichtet sein. Die Anodenfaser 24 weist vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,02 cm (0,008) bis etwa 0,03 cm (0,012 Inches) auf, aber kann größer sein. Vorzugsweise ist der Durchmesser nicht größer als etwa 0,203 cm (0,080 Inches).
Um das aktive Material 26 als eine Paste aufzutragen, Bezugszeichen 52, wurde eine Vorrichtung wie die von Fig. 9 verwendet. Eine fließfähige Paste einer standardmäßigen negativen aktiven Materialpastenmischung wurde entsprechend gut bekannten Verfahren hergestellt, indem Kohlenstoffpartikel mit Oxiden, Bariumsulfat, Schwefelsäure und Wasser gemischt wurden. Diese fließfähige Pastenmischung wurde in einen Applikator 80 gegeben, der einen Behälter 82 mit einem Plungerkolben oder einem Pumpenmittel 84 aufweist, durch die Druck auf die Pastenmischung ausgeübt werden kann. Der Applikator 80 hatte des weiteren eine Applikator-Röhre 86, durch die die Anodenfaser 24 gezogen wurde. Der Innendurchmesser der Applikator-Röhre 86 war vorzugsweise etwas größer als der gewünschte Durchmesser der fertigen Faseranode 22. Eine Gummitrennwand 88 an einem Ende ermöglichte, daß die Anodenfaser 24 in die Applikator-Röhre 86 gelangte.
In der dargestellten Ausführungsform wurde die Anodenfaser 24 von einer Spule 90 geliefert. Bevor sie auf der Spule aufgewickelt wurde, wurde die Anodenfaser 24 mit einem Klebemittel beschichtet, wie bspw. einem Graphitzement und unter Spannung gehärtet und in Luft über Nacht gedreht, dann auf 150ºC für zwei Stunden und 500ºC für eine halbe Stunde bei reduziertem Gas erhitzt, um das Aushärten des Graphitzements abzuschließen. Die Anodenfaser 24 wurde mit einer Kohlenstoffaser 92 mittels eines Spiralwickelkopfes 94 umwickelt, als sie von der Spule 90 zu der Applikator-Röhre 86 bewegt wurde. Die Faseranode 22 und die gewickelte Kohlenstoffaser 92 gelangten durch die Trennwand 88 in das Innere der Applikator-Röhre 86.
Die negative Paste wurde kontinuierlich aufgetragen, Bezugszeichen 52, indem das Mittel 84 gedreht wurde, während die Anodenfaser 24 durch die Applikator-Röhre 86 gezogen wurde. Die Pastenmischung wurde aus dem offenen Ende der Applikator-Röhre 86 extrudiert, wobei sie an der Oberfläche der Anodenfaser 24 anhaftete. Die Fasern wurden in deionisiertem Wasser gewaschen, bis der Säurepegel 0,05% betrug. Die Anoden wurden in einem Vakuum bei 40ºC getrocknet. Die Paste wurde gehärtet und getrocknet, Bezugszeichen 54, indem die pastenbeschichtete Faser für zwölf Stunden auf 60-90ºC bei 98%-iger relativer Luftfeuchtigkeit erhitzt wurde. Die Anoden wurden mit den Trennschichten 34 bedeckt, die aus einer Textil-Glasfaser-Umhüllung hergestellt wurden, und an den Enden mit Epoxidharz abgedichtet wurden, Bezugszeichen 56. Die Anodenfaser 24 wurde auf die erforderliche Länge geschnitten, Bezugszeichen 58, und ein Ende jeder Faser wurde mit einem metallischen Kontaktmaterial, wie Blei, mittels Tauchen beschichtet. Der Enddurchmesser jeder Faseranode 22 betrug etwa 1 mm.
Positive Faserkathoden 28 wurden in gleicher Weise hergestellt, außer daß die Kathodenfasern 30 vorzugsweise einen Aluminiumkern beschichtet mit geschmolzenem Blei hatten, indem der Kern durch ein Bleibad gezogen wurde, Bezugszeichen 60. Die Kathodenfasern 30 wurden mit einer standardmäßigen positiven Batteriepaste aus Oxiden, geschnittenen Kohlenstoffasern, rotem Blei, Schwefelsäure und Wasser beschichtet, indem der Applika tor 80 verwendet wurde, außer daß die Applikator-Röhre 86 einen anderen gewünschten Durchmesser hatte. Die Batteriepaste wurde, wenn notwendig, gehärtet, Bezugszeichen 64, in diesem Fall bei 60-90ºC für 42-72 Stunden in Luft mit 98%-iger relativer Luftfeuchtigkeit. Das Trennmaterial wurde auf die Fasern 30, Bezugszeichen 66, aufgetragen. (Schritt 66 kann weggelassen werden, falls ein Trennmaterial auf die Fasern 24 in Schritt S6 aufgebracht wurde.) Die Fasern 30 wurden auf ihre Länge geschnitten und ein Ende wurde mit einem metallischen Leiter, vorzugsweise Blei, mittels Tauchbad beschichtet, Bezugszeichen 68.
Die Elektroden wurden trocken geladen, indem sie auf einen leitfähigen Dorn aufgewickelt wurden und mit einem konstanten Potential beaufschlagt wurden, bis weniger als 5% Sulfid in dem aktiven Material übrig ist.
Die gefertigten Faseranoden 22 und Faserkathoden 28 werden in abwechselnden Schichten gebündelt, wie in Fig. 2 gezeigt, Bezugszeichen 70. Die Enden wurden wie zuvor beschrieben abgewechselt, wobei die Anodenfasern 24 sich aus dem ersten Ende 36 und die Kathodenfasern 30 aus dem zweiten Ende 38 der Batterie 20 erstrecken, wie in Fig. 6 und 7 dargestellt.
Das nachgiebige Gehäuse 44 wurde angebracht, Bezugszeichen 72. Zwei unterschiedliche Lösungen zur Anbringung des Gehäuses 44 wurden getestet und als durchführbar herausgefunden. Bei einer Lösung wurde eine Polyolefinröhre auf das Faserbündel durch Wärmezufuhr geschrumpft. Bei der anderen Lösung wurde das Faserbündel in eine extrudierte Röhre aus Elastomer eingesetzt.
Die nachgiebigen Endplatten 46 werden aufgesetzt, Bezugszeichen 74. Der flexible Epmar® Epoxidharz wurde auf die Enden des Bündels aufgesprüht und schnell getrocknet. Das vorbeschichtete Ende des Bündels wurde mit mehr des flexiblen Epoxidharzes überschwemmt und bei einer Temperatur von etwa 25ºC bis etwa 55ºC für drei Stunden gehärtet. Öffnungen für die Füllöcher 42 wurden durch die Endplatten 46 vorgesehen.
Das Bündel, das an den Seiten und an den Enden mit einem nachgiebigen Material beschichtet ist, wurde in das gewellte Aluminiumgehäuse 45 gesetzt, Bezugszeichen 76. Die Enden der Anodenfasern 24 (die sich aus dem ersten Ende 36 erstrecken) und die Enden der Kathodenfasern 30 (die sich aus dem zweiten Ende 38 erstrecken) wurden abgeschnitten, indem ein Mikrotom verwendet wurde, so daß etwa 0,003 cm (0,001 Inches) von den Elastomerendplatten hervorstanden. Eine Bleikollektorplatte 58 wurde auf jedes Ende durch Schwall-Löten aufgebracht, Bezugszeichen 76.
Die fertiggestellte Batterie kann dann aktiviert werden, indem Füllöcher 42 durch die Enden der Kollektorplatte 48 und der Endplatte 46 gebildet werden, und indem ein Elektrolyt hinzugefügt wird, in diesem Fall Schwefelsäure, Bezugszeichen 78. Nachdem der Elektrolyt aufgeladen ist, werden die Füllöcher geschlossen.
Die erste Blei-Säure-Batterie zur Demonstration, die entsprechend diesem Ansatz hergestellt wurde, hatte insgesamt 15 Faseranoden und 10 Faserkathoden. Die Batterie hatte eine AA- Größe mit einem Durchmesser von 1,3 cm und einer Länge von 4,9 cm. Die Batterie mit einem Volumen von 6,5 Kubikzentimetern und einem Gewicht von 9,36 Gramm, war in der Lage, eine Gesamtladung von 0,468 WH (Watt-Stunde) zu speichern, die mit einem Strom von 10 Ampere geliefert werden konnte. Die Speicherdichte betrug damit etwa 50 WH pro Kilogramm. Im Vergleich besitzt eine kleine Blei-Säure-Trockenzelle eine Speicherkapazität von etwa 17-20 WH pro Kilogramm, und eine große Blei-Säure-Zelle besitzt eine Speicherkapazität von etwa 30-35 WH pro Kilogramm.
Eine zweite Blei-Säure-Demonstrationsbatterie hatte 440 Faserkathoden und 385 Faseranoden in einer zylindrischen Zelle mit einem Radius von 3,734 cm (1,47 Inches) und einer Länge von 6,071 cm (2,39 Inches). Die Faseranoden und -kathoden haben jeweils einen Faserdurchmesser von 0,02 cm (0,008 Inches), eine Dicke des aktiven Materials mit einem Außendurchmesser von 0,066 cm (0,026 Inches), und eine Trennbeschichtung mit einem äußeren Durchmesser von 0,236 cm (0,093 Inches). Das Massengleichgewicht der Zelle war wie folgt: 81,94 Gramm negatives aktives Material, 81,51 Gramm positives aktives Material, 111 Gramm Schwefelsäure mit einem spezifischen Gewicht von 1,310, 16,9 Gramm Trennschicht, 15,49 Gramm der Endplatten, 11,56 Gramm der Stromkollektoren, 5 Gramm der Belüftungsstruktur und 12 Gramm im äußeren Gehäuse. Die Speicherkapazität dieser Batterie betrug 59 WH pro Kilogramm im Vergleich zu 41,5 WH pro Kilogramm für die beste kommerziell verfügbare Batterie vergleichbarer Größe.
Die Batterie der Erfindung hat eine große Elektrodenoberfläche aufgrund des geringen Durchmessers der Faseranoden und der Faserkathoden. Die faserbasierte Herstellungstechnologie erlaubt die Auswahl eines Bereichs von Fasern, Faserbeschichtungen und aktivem Material sowie einer Wahl des Elektrolyten.
Aufgrund des nachgiebigen Gehäuses und der Endplatten entwickelt die Batterie keine spannungsverursachten Brüche nach Zyklen.
Eine dritte Vorführung umfaßt den Entwurf und den Test einer Pseudokapazität/Kondensators, der manchmal als "Batcapion" bezeichnet wird. Ein solcher Pseudokondensator liegt noch innerhalb des Umfangs des Begriffs "Batterie", wie er hier verwendet wird, soweit er Eigenschaften sowohl einer Batterie als auch eines Kondensators betrifft. Die Fasern wurden aus P100- Kohlenstoffaserseilen hergestellt, wobei jedes etwa 500 Kohlenstoffasern von etwa 10 Mikrometer Durchmesser besitzt. Ein Silberdraht mit einem Durchmesser von 0,02 cm (0,008 Inches) wurde in das Bündel der Kohlenstoffasern eingebracht. Das Bündel der Kohlenstoffasern und der Silberdraht wurden zugbeschichtet mit Dylan 100 Graphitzement mit 3-5 Prozent zusätzlichem Furfuval- Alkohol. Die beschichteten Bündel wurden in einer oxidierenden, dann einer reduzierenden Atmosphäre bei 480ºC für 40 Minuten gebrannt. Die resultierenden Fasern wurden auf eine Länge von 2 Zentimetern geschnitten, und der Silberkerndraht wurde freigelegt, indem das gehärtete Zement von den Enden des Drahts abgezogen wurde. Die Hälfte der Fasern (die positiven Elektroden) wurde mit etwa 4-10 Milligramm pro Quadratzentimeter mittels Elektroplattierens in Platin (IV-)Chlorwasserstoffsäure platiniert, und danach gewaschen und getrocknet. Die andere Hälfte der Fasern (die negativen Elektroden) wurden mehrfach tauchbeschichtet auf eine Dicke von 0,05 Zentimetern (0,006 Inches) in einer Tinte, die aus RuO&sub2;-IrO&sub2; Pulver mit weniger als 600 Mesh und 60-80 Volumenprozent einer Nation® 100 Lösung hergestellt ist, und bei 110ºC in einem Ofen getrocknet. Die Fasern wurden alle individuell getestet, indem ein 2 Zentimeter Längsstück verwendet wurde, das mit 20 Prozent Schwefelsäure benetzt und dann mit einem Vlies getrocknet wurde, und dann in Bündel zusammengesetzt, wobei die Elektrode mit der Nation® 100 Lösung tauchbeschichtet und getrocknet wurde. Die Bündel wurden mit einem Innenfaserabstand von 0,013 cm (0,005 Inches) getestet. Die sich ergebende Batcapion-Struktur mit 400 Elektrodenpaaren zeigt eine Kapazität von 24 Farad bei einem Volumen einer Zelle der Größe "D", wenn bei einer Spannung von 1,5 Volt, 60 Hertz getestet wird.
Eine andere Batcapion wurde hergestellt, indem der gleiche Ansatz verwendet wurde, aber mit einer Faserlänge von 0,5 cm. Die sich ergebende Struktur hatte eine Kapazität von 120 Farad in einem zehnlagigen Zellenstapel. Diese Ergebnisse wurden ohne Beachtung bezüglich der Optimierung der Struktur erhalten. Eine weitere Optimierung der Struktur eröffnet das Potential für zusätzliche Verbesserungen.
Andere Variationen sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann die Batterie eine beliebige äußere Form aufweisen, um sich an den verfügbaren Platz anzupassen. Beispielsweise zeigt Fig. 10 eine hexagonale Batterie.

Claims

1. Batterie mit einer Vielzahl von Faseranoden (22), einer Vielzahl von Faserkathoden (28), die mit den Faseranoden (22) gebündelt sind, einem zwischen den Faseranoden (22) angeordneten Elektrolyt, und einem Gehäuse, das die Anoden, die Kathoden und den Elektrolyt umgibt, wobei sich ein Ende jeder Faseranode (22) aus einer ersten Endplatte an einem ersten Ende (36) der Batterie (20) erstreckt, und wobei sich ein Ende jeder Faserkathode (28) aus einer zweiten Endplatte an einem zweiten Ende (38) der Batterie (20) erstreckt, gekennzeichnet durch:

- ein röhrenförmiges Seitengehäuse (44), das die Faseranoden (22), die Faserkathoden (28) und den Elektrolyt seitlich umgibt; und

- Endplatten (46), die jedes Ende des Seitengehäuses (44) abdichten, wobei sowohl das röhrenförmige Seitengehäuse (44) als auch die Endplatten (46) aus einem Material gebildet sind, das eine elastische Nachgiebigkeit aufweist.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faseranoden (22) jeweils eine Anodenfaser (24) und eine Schicht (26) eines aktiven Anodenmaterials aufweisen, das die Anodenfaser (24) umgibt.

3. Batterie nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schicht (34) eines Trennmaterials, das die Schicht (26) des aktiven Anodenmaterials umgibt.

4. Batterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenfasern (24) jeweils einen Durchmesser von etwa 0,008 bis etwa 0,050 Inches (0,2032 bis 1,27 mm) aufweisen.

5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserkathoden (28) jeweils eine Kathodenfaser (30) und eine Schicht (32) eines aktiven Kathodenmaterials aufweisen, das die Kathodenfaser (30) umgibt.

6. Batterie nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Schicht (34) eines Trennmaterials, das die Schicht (32) des aktiven Kathodenmaterials umgibt.

7. Batterie nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenfasern (30) jeweils einen Durchmesser von etwa 0,008 bis etwa 0,050 Inches (0,2032 bis 1,27 mm) aufweisen.

8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Faseranoden (22) und der Faserkathoden (28) zumindest teilweise aus Graphit hergestellt sind.

9. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Faseranoden (22) und der Faserkathoden (28) zumindest teilweise aus einer Metallfaser hergestellt sind.

10. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine metallische Kollektorplatte (48), die an jedem Ende (36, 38) der Batterie (20) auf der nachgiebigen Endplatte (46) aufliegt.

11. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein Schutzgehäuse (45), das das Seitengehäuse (44) umgibt.

12. Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgehäuse (45) aus Metall, vorzugsweise aus einem gewellten Metall hergestellt ist.

13. Verfahren zum Fertigen einer Batterie (20), gekennzeichnet durch die Schritte:

- Vorsehen (50, 60) einer Vielzahl von Faseranoden (22) und einer Vielzahl von Faserkathoden (28);

- Anordnen (70) der Vielzahl von Faseranoden (22) und der Faserkathoden (28) parallel zueinander und in einer gebündelten Weise innerhalb eines fließenden Elektrolyts;

- Anbringen (72) eines Seitengehäuses (44), das aus einem Material mit elastischer Nachgiebigkeit gebildet ist, wobei das Seitengehäuse die Faseranoden (22), die Faserkathoden (28) und den Elektrolyt seitlich umgibt; und

- Aufbringen (74) von Endplatten (46), die aus einem Material mit elastischer Nachgiebigkeit gebildet sind, auf je des Ende (36, 38) des Seitengehäuses (54), so daß ein Ende jeder Faseranode (22) sich aus einer ersten Endplatte an einem ersten Ende (36) der Batterie (20) erstreckt und daß ein Ende jeder Faserkathode (28) sich aus einer zweiten Endplatte an einem zweiten Ende (38) der Batterie (20) erstreckt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (50, 60) des Vorsehens die Schritte umfaßt:

- Aufbringen (62) einer Beschichtung einer positiven Batteriepaste auf eine Kathodenfaser (30) und Aushärten (64) der beschichteten Kathodenfasern (30); und

- Aufbringen (52) einer Beschichtung einer negativen Batteriepaste auf eine Anodenfaser (24), und Aushärten (24) der beschichteten Anodenfasern (24).

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte (52, 62) des Auftragens jeweils den Schritt umfassen: Durchziehen einer Faser (24, 30) durch eine Masse der jeweiligen Batteriepaste, so daß die Batteriepaste an der Faser (24, 30) anhaftet.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (50, 60) des Vorsehens den zusätzlichen Schritt umfaßt: Anordnen (56, 66) einer Trennschicht (34) über zumindest jede der beschichteten Vielzahl von Faseranoden (22) oder jede der beschichteten Vielzahl von Faserkathoden (28).

17. Verfahren zur Fertigung einer Batterie (20), gekennzeichnet durch die Schritte:

- Durchziehen einer Anodenfaser (24) durch eine Masse einer negativen Batteriepaste, so daß die Batteriepaste an der Anodenfaser (24) haftet, und Aushärten (64) der Batteriepaste, um eine Faseranode (22) zu bilden;

- Durchziehen einer Kathodenfaser (30) durch eine Masse einer positiven Batteriepaste, so daß die Batteriepaste an der Kathodenfaser (30) haftet, und Aushärten (54) der Batteriepaste, um eine Faserkathode (28) auszubilden;

- Anordnen der Vielzahl von Faseranoden (22) und der Faserkathoden (28) parallel zueinander und in abwechselnder Weise;

- Anordnen (72) eines Seitengehäuses (44) um die Seiten der Faseranoden (22) und der Faserkathoden (28) herum, wobei das Seitengehäuse aus einem Material mit elastischer Nachgiebigkeit gebildet ist; und

- Aufbringen (74) von Endplatten (46), die aus einem Material mit einer elastischen Nachgiebigkeit gebildet sind, auf jedes Ende (36, 38) des Seitengehäuses (44), so daß ein Ende jeder Faseranode (22) sich aus einer ersten Endplatte an einem ersten Ende (36) der Batterie (20) erstreckt und daß ein Ende jeder Faserkathode (28) sich aus einer zweiten Endplatte an einem zweiten Ende (38) der Batterie (20) erstreckt;

- Abschneiden der Faseranoden- und Faserkathodenenden; und

- Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Materials, auf den Oberflächen der jeweiligen Endplatten aufliegt.