ES2632427T3 - Procedimiento para formar una conexión eléctrica a un electrodo de fibra conductor y electrodo formado de esta manera - Google Patents

Procedimiento para formar una conexión eléctrica a un electrodo de fibra conductor y electrodo formado de esta manera Download PDF

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Suzanne Furkert
Shane CHRISTIE
Yoon San WONG
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Abstract

Una batería o celda de plomo-ácido que incluye al menos un electrodo que comprende como un colector de corriente un material de fibra conductor que tiene una separación media entre fibras inferior a 100 micrómetros, que comprende un material de terminal eléctricamente conductor impregnado a presión en una parte de zona de terminal del material de fibra que rodea y/o penetra en las fibras y forma una conexión eléctrica al material de fibra en dicha zona de terminal y proporciona un terminal para la conexión externa del elemento de electrodo, y que comprende un material activo en al menos una parte del material de fibra conductor distinto de dicha zona de terminal, y en el que una proporción superficie a volumen de las partículas de Pb en el material activo es al menos aproximadamente 3 veces mayor que una relación superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para formar una conexion electrica a un electrodo de fibra conductor y electrodo formado de esta manera Campo de la invencion
La invencion se refiere a un procedimiento mejorado para formar una conexion electrica a un electrodo de fibra conductor, tal como un electrodo de fibra conductor de una baterfa o de una celda, y a un electrodo formado de esta manera.
Antecedentes
En una baterfa o celda de plomo-acido que comprende un electrodo o electrodos de fibra de carbono, se requiere una conexion con una resistencia electrica muy baja y mecanicamente duradera entre el material del electrodo de fibra de carbono y un conector o un terminal (en adelante, denominado generalmente un terminal) al circuito exterior. Esto puede ser diffcil de conseguir, particularmente cuando el material del electrodo de fibra de carbono tiene una separacion entre fibras de menos de 100 micrometros, por razones que incluyen que el carbono repele fuertemente el metal desde su superficie y/o la necesidad de superar la tension superficial para permitir que el metal del terminal penetre entre las fibras de carbono (bien inter-fibras o bien intra-fibras, es decir, esta ultima se refiere a entre los filamentos de fibras individuales si las fibras de carbono son multifilamentosas).
La consecucion de una alta penetracion entre las fibras para minimizar el espacio vado restante entre el material de terminal y las fibras de la conexion de terminal es tambien importante como una manera de prevenir que el electrolito de la baterfa entre posteriormente en la conexion terminal a fibra y deteriore la conexion.
La patente US 3926674 describe un procedimiento para fabricar elementos de conexion electrica en electrodos de baterfa de fibra de vidrio mediante inyeccion de plomo fundido.
Sumario de la invencion
En terminos generales, en un aspecto, la invencion comprende un procedimiento para formar una conexion electrica a un elemento de electrodo de material de fibra electricamente conductor que tiene una separacion media entre fibras menor de aproximadamente 100 micrometros, que comprende impregnar a presion, en una parte de la zona de terminal del material de fibra, un material de terminal electricamente conductor para rodear y/o penetrar las fibras del material de fibra y formar una conexion electrica al material de fibra en dicha zona de terminal y proporcionar un terminal para la conexion externa del elemento de electrodo.
En terminos generales, en otro aspecto, la invencion comprende un elemento de electrodo de material de fibra electricamente conductor que tiene una separacion media entre fibras menor de aproximadamente 100 micrometros, que comprende una material de terminal electricamente conductor impregnado a presion en una parte de la zona de terminal del material de fibra y que rodea y/o penetra en las fibras y forma una conexion electrica al material de fibra en dicha zona de terminal y proporciona un terminal para la conexion externa del elemento de electrodo.
En terminos generales, en otro aspecto, la invencion comprende un electrodo de una baterfa o celda de plomo-acido, o una baterfa o celda de plomo-acido que comprende al menos un electrodo, que comprende un material de fibra conductor que tiene una separacion media entre fibras menor de aproximadamente 100 micrometros, en el que el electrodo comprende una zona activa y un elemento conductor en una zona de terminal como un conector al electrodo, en el que la resistencia electrica de la conexion cuando la baterfa o la celda esta aproximadamente 10% cargada/90% descargada es al menos un 10% menor que la resistencia de la zona activa (cuando esta completamente cargada).
En terminos generales, en otro aspecto, la invencion comprende un electrodo de una baterfa o celda de plomo-acido, o una baterfa o celda de plomo-acido que comprende al menos un electrodo, que comprende un material de fibra electricamente conductor que tiene una separacion media entre fibras menor de aproximadamente 100 micrometros, en el que el electrodo comprende una zona activa y un elemento de terminal conductor en una zona de terminal como conector al electrodo, en el que en la parte de la zona de terminal del material de fibra, el material de terminal rodea y/o penetra en, y se conecta electricamente a, las fibras.
En terminos generales, en otro aspecto, la invencion comprende un electrodo de una baterfa o celda de plomo-acido o una baterfa o celda de plomo-acido que comprende al menos un electrodo, que comprende una matriz tridimensional de material electricamente conductor que se extiende entre una zona activa de dicho electrodo y una zona de terminal como un conector al electrodo, en el que en la parte de la zona de terminal del material conductor, el material de terminal rodea y/o penetra y se conecta electricamente al material conductor y reduce el espacio vado en comparacion con el espacio vado en la zona activa.
En algunas realizaciones, la resistencia de la conexion de terminal cuando la baterfa esta completamente descargada es al menos un 10% menor que la resistencia de la zona activa.
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En terminos generales, en otro aspecto, la invention comprende un electrodo de una baterfa o celda de plomo-acido o una baterfa o celda de plomo-acido que comprende al menos: un electrodo, que comprende una matriz tridimensional de material electricamente conductor que se extiende entre una zona activa de dicho electrodo y una zona de terminal como un conector al electrodo, en el que en la parte de la zona de terminal del material conductor, el material de terminal rodea y/o penetra y se conecta electricamente al material conductor y reduce el espacio vado en comparacion con el espacio vado en la zona activa.
En algunas realizaciones, la resistencia colectiva entre el material conductor y el terminal es menor o aproximadamente igual que la resistencia a lo largo de la zona activa.
Tfpicamente, el material de fibra conductor es un material conductor no metalico, tal como un material de fibra de carbono, tal como un material no tejido tal como un material de fibra de carbono de fieltro, o un material de fibra de carbono de punto o tejido. El material tiene una separation media entre fibras menor de aproximadamente 100 micrometros y, en algunas realizaciones, menor de aproximadamente 50 micrometros, menor de aproximadamente 20 micrometros o menor de aproximadamente 10 micrometros.
En algunas realizaciones, el material de impregnation impregna entre al menos aproximadamente el 30%, al menos aproximadamente el 40%, al menos aproximadamente el 50%, al menos aproximadamente el 70%, al menos aproximadamente el 80% o al menos aproximadamente el 95%, o al menos aproximadamente el 98% o al menos aproximadamente el 99% de las fibras.
En algunas realizaciones, el espacio vado entre las fibras en el material de fibra (estando definida la fraction del volumen total por las dimensiones exteriores del material no ocupadas por las fibras - en el material no impregnado) se reduce en al menos aproximadamente el 50%, al menos aproximadamente el 70%, al menos aproximadamente el 80% o al menos aproximadamente el 95%, o al menos aproximadamente el 98%, o al menos aproximadamente el 99%.
En algunas realizaciones, las fibras del material de fibra conductor son fibras multifilamento y el material de terminal de impregnacion penetra tambien entre los filamentos, reduciendo tambien el espacio vado entre las fibras. En algunas realizaciones, el espacio vado entre las fibras se reduce tambien a aproximadamente el 40%, a aproximadamente el 30%, a aproximadamente el 25%, a aproximadamente el 20% o a aproximadamente el 10%, a aproximadamente el 5%, a aproximadamente el 1% del espacio vado entre las fibras en el material de fibra no impregnado.
En terminos generales, en otro aspecto, la invencion comprende un electrodo de una baterfa o celda de plomo-acido o una baterfa o celda de plomo-acido que comprende al menos un electrodo, que comprende un material electricamente conductor que comprende una matriz de material electricamente conductor que se extiende entre una zona activa de dicho electrodo y una zona de terminal como un conector al electrodo, en el que en la parte de la zona de terminal del material conductor, el material de terminal rodea y/o penetra en y se conecta electricamente al material conductor de manera que la zona de terminal tenga espacios vados (estando ocupado el volumen fraccionario por los poros entre el plomo y las fibras conductoras) de menos de aproximadamente el 30% (sobre al menos una fraccion principal del electrodo).
En terminos generales, en un aspecto adicional, la invencion comprende una baterfa o celda de plomo-acido que incluye al menos un electrodo que comprende como un colector de corriente un material de fibra conductor, que comprende un material de terminal electricamente conductor en una parte de la zona de terminal del material de fibra que rodea y/o penetra las fibras y forma una conexion electrica al material de fibra en dicha zona de terminal y proporciona un terminal para la conexion externa del elemento de electrodo, y que comprende un material activo en al menos una parte del material de fibra conductor distinta de dicha zona de terminal, y en el que una relation superficie a volumen de las parrfculas de Pb en el material activo es al menos aproximadamente 3 veces mayor que una relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal.
Preferiblemente, la relacion superficie a volumen de las parrfculas de Pb en el material activo es al menos aproximadamente 5 veces mayor, o al menos aproximadamente 10 veces mayor, al menos aproximadamente 20 veces mayor, que una relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal.
Preferiblemente, la relacion superficie a volumen de las parrfculas de Pb en el material activo es mayor de aproximadamente 2 m2/cm3 y la relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal es menor de aproximadamente 0,5 m2/cm3, o la relacion superficie a volumen de las parrfculas de Pb en el material activo es mayor de aproximadamente 1 m2/cm3 y la relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal es menor de aproximadamente 0,5 m2/cm3.
En al menos algunas realizaciones de una celda o baterfa que emplea un electrodo de la invencion, puede ser deseable una relacion superficie a volumen baja del material de terminal en la zona de terminal con el fin de prevenir que el material de terminal, tal como por ejemplo Pb, reaccione sustancialmente, por ejemplo, formando PbSO4, durante la descarga.
En terminos generales, en un aspecto adicional, la invencion comprende una baterfa o celda de plomo-acido que incluye
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al menos un electrodo que comprende, como un colector de corriente, un material de fibra conductor, que comprende un material de terminal electricamente conductor en una parte de la zona de terminal del material de fibra que rodea y/o penetra en las fibras y forma una conexion electrica al material de fibra en dicha zona de terminal y proporciona un terminal para la conexion externa del elemento de electrodo, y que comprende un material activo en al menos una parte del material de fibra conductor distinta de dicha zona de terminal, y en el que el material activo contacta con el terminal donde la fibra entra en el terminal y se conecta electricamente directamente al terminal.
Preferiblemente, el material activo contacta con el terminal donde la fibra entra en el terminal y se conecta electricamente directamente al terminal a traves de un espesor del material de fibra y preferiblemente tambien a lo largo de una parte principal de sustancialmente toda la longitud de un ftmite entre el material de terminal y el material de fibra no impregnado con material de terminal en este ftmite.
Formacion de terminales mediante impregnacion a presion
En terminos generales, en otro aspecto, la invention comprende un procedimiento para formar una conexion electrica a un elemento de electrodo de material de fibra electricamente conductor que tiene una separation media entre fibras menor de aproximadamente 250 micrometros, que comprende impregnar a presion en una parte de la zona de terminal del material de fibra, un material de terminal electricamente conductor para rodear y/o penetrar en las fibras y formar una conexion electrica al material de fibra en dicha zona de terminal.
En terminos generales, en otro aspecto, la invencion comprende un elemento de electrodo de material de fibra electricamente conductor que tiene una separacion media entre fibras menor de aproximadamente 100 micrometros, que comprende un material de terminal electricamente conductor impregnado a presion en una parte de la zona de terminal del material de fibra y que rodea y/o penetra en las fibras y forma una conexion electrica al material de fibra en dicha zona de terminal.
Al menos algunas realizaciones comprenden calentar el material de terminal e impregnarlo a presion: cuando esta fundido en el material de fibra. Al menos algunas realizaciones comprenden rodear o encerrar la parte de la zona de terminal del material de fibra en una matriz, impregnar a presion el material de terminal fundido en el material de fibra en la zona de terminal en la matriz y permitir que el material de terminal se enfne y la se solidifique alrededor de las fibras. En al menos algunas realizaciones, la impregnacion a presion del material de terminal fundido en el material de fibra incluye la impregnacion a presion del material de terminal fundido en la matriz. En otras realizaciones, el material de terminal puede ser un poftmero conductor termoplastico o termoestable o curable mediante reaction que, a continuation, es impregnado a presion en el material de fibra. La matriz puede comprender partes de matriz que se juntan con el material de fibra entre las mismas, y una presion o fuerza de cierre de las partes de la matriz contra el material de fibra es menor que una presion que impregna el material de terminal fundido en la matriz. En otras realizaciones, la impregnacion a presion del material de terminal fundido en el material de fibra incluye cerrar una matriz sobre el material de terminal y el material de fibra en la matriz de manera que la presion de la fuerza de cierre de la matriz impregne el material de terminal fundido en el material de fibra. En otra realization, al cerrar las partes de matriz, esta mantiene el material de fibra en su sitio para ayudar y/o permitir que el material de terminal fundido impregne a presion el material de fibra.
En al menos algunas realizaciones, la matriz comprende una parte limftrofe o periferica con una mayor conductividad termica (denominada, de manera alternativa, termicamente disipativa) que una parte no limftrofe o no periferica de la matriz. En otras realizaciones, la matriz comprende una parte limftrofe o periferica que es mas fna que una parte no limftrofe o no periferica de la matriz. El material de impregnacion fluye hacia la parte limftrofe termicamente mas conductora o mas fna de la matriz. En esta parte limftrofe, el material de impregnacion, incluyendo el material de impregnacion que ha fluido/se ha impregnado en las fibras, se enfrfa y se solidifica ("se congela") para reducir o prevenir el flujo de material de impregnacion fundido adicional mas alla de esta parte limftrofe (congelada). Debido a que la parte limftrofe de terminal solidificada ayuda a reducir el flujo adicional de material de terminal fundido, puede requerirse menos presion de sujecion para contener el material fundido en la zona de terminal del material de fibra. La parte limftrofe o periferica puede ser la totalidad o parte de todo el ftmite o la periferia de la zona de terminal. La matriz puede comprender dos partes de matriz que se juntan con el material de fibra entre las mismas y, de esta manera, la presion o la fuerza de cierre aplicadas a la zona entre las partes de matriz y, de esta manera, contra: el material de fibra, puede ser menor que una presion de inyeccion del material de impregnacion al interior de la cavidad de la matriz o el material de fibra ya que, en esta realizacion, el material impregnado esta contenido por una combinacion de presion de cierre de las partes de matriz y dicha solidification limftrofe. De esta manera, la presion de cierre sobre el material de fibra entre las partes de matriz puede estar a un nivel que no dane o dane significativamente, por ejemplo, dane estructuralmente el material de fibra, por aplastamiento. En algunas realizaciones, la fuerza de cierre de la matriz contra el material de fibra puede resultar en una presion contra el material de fibra de menos de aproximadamente 24.000 kPa (240 Bar) o aproximadamente 12.000 kPa (120 Bar) por ejemplo para materiales tejidos o de punto, tales como materiales tejidos de carbono, o menos de aproximadamente 4.000 kPa (40 Bar) o aproximadamente 2.000 kPa (20 Bar) cuando el material de fibra es un material no tejido tal como para un fieltro o material de fieltro de carbono, por ejemplo. En otras realizaciones, es posible que las partes de matriz no contacten realmente con el material de fibra, de manera que no haya una presion (desde la
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matriz) sobre el material de fibra durante la impregnacion del terminal.
En algunas realizaciones, una parte de la matriz en al menos un lado comprende una zona, tal como una zona central, que tiene una conductividad termica mas baja que la parte limftrofe o periferica con una conductividad termica mas baja (o disipadora) o mas fna. En algunas realizaciones, una parte de matriz en al menos un lado comprende una zona, tal como una zona central, que tiene una temperatura mas alta, por ejemplo, esta calentada, que la parte limftrofe con una conductividad termica mas alta o mas fna. En algunas realizaciones, dicha zona central de la parte de matriz esta montada sobre un piston o similar, que esta dispuesto para moverse para aplicar fuerza al material de terminal fundido despues de la inyeccion y durante el enfriamiento, para aumentar la penetracion del material de terminal en el material de fibra. La disposicion de piston puede expulsar tambien el electrodo desde la matriz despues de la solidificacion del terminal.
En algunas realizaciones, se dispone un sistema de matriz para causar que el material de terminal fundido entre en el material de fibra a lo largo de un borde del material de fibra. La matriz (al menos cuando esta cerrada) puede definir un hueco de inyeccion transversal a traves del cual el material de terminal fundido entra en el material de fibra a traves de dicho borde del material de fibra de carbono. El hueco de inyeccion transversal puede estar definido entre dos partes de matriz opuestas cuando estan cerradas entre sf. En algunas realizaciones, la matriz esta abierta a lo largo de una abertura transversal opuesta o por encima del hueco de inyeccion transversal en la direccion del movimiento del material de terminal fundido y el material de fibra mas alla de la zona del terminal se extiende a traves de dicha abertura transversal durante la impregnacion. La impregnacion del material de fibra puede ser durante un tiempo predeterminado y/o un volumen de material de terminal predeterminado, y entonces la presion de inyeccion se detiene y el material de terminal en la matriz se deja enfriar y solidificar. En algunas realizaciones, una dimension a traves de la cavidad de matriz a traves de un plano principal del material de fibra de carbono durante el uso es menor que una dimension transversal de la matriz en el plano del material de fibra de carbono, tal como aproximadamente igual que el espesor del material de fibra para formar un terminal delgado de aproximadamente el mismo espesor que el material de fibra.
En algunas realizaciones, la matriz esta dispuesta tambien para formar una extension de terminal (de material de terminal solido) mas alla de un borde del material de fibra.
En algunas realizaciones, el espacio vado que permanece, si existe, entre el terminal y el material de fibra, se reduce impregnando, despues de formar el terminal, un relleno que es sustancialmente inerte a un electrolito o que esta separado del electrolito crudo por una barrera de un material sustancialmente inerte al electrolito. En otras realizaciones, el material de terminal es sustancialmente inerte a un electrolito, por ejemplo, titanio.
Formacion de terminal con relleno conductor
En terminos generales, en otro aspecto, la invention comprende un procedimiento para formar una conexion electrica de un terminal conductor a una fibra conductora que comprende aplicar una pasta conductora, un material encapsulante o un adhesivo a una zona de terminal del material de fibra y formar una region conductora conectada electricamente al material de fibra.
En terminos generales, en otro aspecto, la invencion comprende una conexion de un terminal conductor a una fibra conductora formada aplicando una pasta conductora, un material encapsulante o un adhesivo a una zona de terminal de material de fibra y causando la conexion electrica a y/o dentro de dicho material de fibra, si es necesario, con calor y/o presion, para formar una conexion de fibra conductora en dicha region de terminal con menos espacios vados con relation al material de fibra crudo.
Formacion electroqmmica de terminales
En terminos generales, en otro aspecto, la invencion comprende un procedimiento para formar una conexion electrica de un terminal conductor a una fibra conductora, que comprende:
• aplicar al material de fibra conductor una pasta que comprende una mezcla de partfculas a base de plomo,
• aplicar a al menos parte de una parte a la que se ha aplicado pasta de esta manera del material de fibra conductor un elemento metalico, y
• hacer pasar una corriente electrica a traves del elemento metalico y a traves de la pasta debajo y a traves del material de fibra conductor a un potencial adecuado con respecto al electrolito acido para formar una penetracion de metal en el material de fibra conductor y una conexion entre el material de fibra conductor y el elemento metalico.
En terminos generales, en otro aspecto, la invencion comprende una conexion electrica de un terminal conductor a una fibra conductora formada aplicando una pasta que comprende una mezcla de partfculas a base de plomo al material de fibra conductor, aplicar el elemento metalico a al menos una parte de una parte a la que se ha aplicado pasta de esta manera del material de fibra conductor y hacer pasar una corriente electrica a traves del elemento metalico y a traves de
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la pasta debajo del mismo y gradualmente a al menos dicha parte del material de fibra conductor a un potencial adecuado con respecto al electrolito acido para formar una penetracion de metal en el material de fibra conductor y la conexion entre el material de fibra conductor y el elemento metalico.
En algunas realizaciones, la pasta comprende parrfculas de sulfato de Pb, parrfculas de PbO, parrfculas de Pb o una mezcla de parrfculas de sulfato de Pb y/o parrfculas de PbO y/o parrfculas de Pb, o una mezcla de parrfculas de zinc y oxido de cinc, o parrfculas de Cd o Cd(OH)2. Pueden realizarse conexiones de circuito para la conversion electroqmmica de la pasta al elemento metalico y una parte del material de fibra por ejemplo un borde del material de fibra, o al elemento metalico y dos o mas partes del material de fibra por ejemplo dos bordes, tales como dos bordes opuestos del material de fibra. Durante la etapa de hacer pasar una corriente electrica a traves del elemento metalico o conector y al menos dicha parte del material de fibra conductor para conectar el material de fibra conductor y el conector, las parrfculas basadas en Pb en la pasta se convierten en plomo primero justo debajo del conector y gradualmente mtimamente entre las fibras debajo del conector y, de esta manera, para conectar o conectar electricamente las fibras y el elemento metalico o el conector.
General
En todas las realizaciones anteriores, el material de fibra conductor puede ser un material no tejido tal como un material de fieltro, un material tejido (que comprende fibras de urdimbre y de trama cruzadas) o un material de punto. El material puede ser un material de fibra de carbono, tal como una tela de fibra de carbono no tejida, de punto o tejida, o de manera alternativa un material fibroso basado en fibra de vidrio o silicio. Las fibras, por ejemplo, fibras de carbono son rfpicamente multifilamentosas pero pueden ser monofilamentosas. En algunas realizaciones, el material de fibra tiene una separacion media entre fibras de menos de aproximadamente 250 micrometros, o menos de aproximadamente 100 micrometros, menos de aproximadamente 50 micrometros, menos de aproximadamente 20 micrometros o menos de aproximadamente 10 micrometros. El diametro de la fibra puede estar comprendido en el intervalo de aproximadamente 1 micrometro a aproximadamente 30 micrometros, de aproximadamente 4 micrometros a aproximadamente 20 micrometros, de aproximadamente 5 micrometros a aproximadamente 15 micrometros. El espacio vado en el material (no impregnado) puede ser al menos de aproximadamente el 80% o al menos de aproximadamente el 95% por ejemplo, a aproximadamente el 2% por ejemplo.
En algunas realizaciones, el material de terminal de impregnacion es un metal. En una realizacion, el metal es Pb o una aleacion de Pb (en la presente memoria, ambos se denominan, de manera inclusiva, Pb). En otra realizacion, el metal es Zn o una aleacion de Zn (en la presente memoria, ambos se denominan, de manera inclusiva, Zn). En otra realizacion, el metal es Cd o una aleacion Cd (en la presente memoria, ambos se denominan, de manera inclusiva, Cd). De manera alternativa, el material de terminal de impregnacion puede ser un polnriero conductor, por ejemplo.
En algunas realizaciones, el material de fibra conductor puede ser un material de fibra de carbono que ha sido tratado mediante descarga de arco electrico. El material de fibra de carbono puede ser tratado con arco electrico introduciendo el material de fibra de carbono en una camara de reaccion, bien a traves de un arco electrico en un hueco entre electrodos que incluyen multiples electrodos adyacentes en un lado del material o mas alla de multiples electrodos adyacentes, de manera que exista un arco electrico entre cada uno de los electrodos y el material. En otras realizaciones, el material de fibra de carbono para su uso como material de colector de corriente de electrodo puede ser tratado termicamente a una temperatura elevada, por ejemplo, comprendida en el intervalo de 1.200 a 2.800°C. Dicho tratamiento puede aumentar la conductividad electrica del material.
En algunas realizaciones, el material de fibra conductor ha sido tejido, o tejido a punto, a partir de fibra de carbono multifilamentosa que ha sido:
• separada a partir de un haz de fibras de carbono (“estopa”) con mayor numero de filamentos, en estopas mas pequenas o
• rota mediante estiramiento para romper los filamentos continuos individuales en filamentos mas cortos y para separar longitudinalmente los extremos de los filamentos en cada rotura, reduciendo el numero de filamentos de la estopa de fibra de carbono, o
• dividida a partir de un haz de fibras de carbono ("estopa") con mayor numero de filamentos en estopas mas pequenas y, a continuacion, rotas por estiramiento para romper los filamentos continuos individuales en filamentos mas cortos y para separar longitudinalmente los extremos de los filamentos en cada rotura, reduciendo adicionalmente el numero de filamentos de las estopas de fibra de carbono.
En una celda o baterfa, el electrodo o los electrodos positivos, el electrodo o los electrodos negativos, o ambos, pueden estar formados por una o mas capas del material de fibra conductor con un terminal, segun la invencion. La invencion ha sido descrita aqrn, a veces, con referencia a electrodos de baterfas de pb-acido, pero puede tener aplicacion tambien en otros tipos de baterfas, tales como baterfas de iones de litio y en otras aplicaciones, tales como en electrodos en celdas
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solares o en condensadores o supercondensadores, por ejemplo.
En algunas realizaciones, la invention comprende un vehmulo automovil hforido que comprende una baterfa de plomo- acido de la presente invencion y/o fabricada segun los procedimientos descritos en la presente memoria. En otras realizaciones, el vehmulo automovil hforido tiene funcionalidad de “parada-arranque” (“stop-start”) y/o de frenado regenerativo. En otras realizaciones, la baterfa puede alimentar cargas accesorias cuando el motor del vehmulo esta apagado.
En la presente memoria descriptiva, “terminal” significa cualquier elemento o conector electricamente conductor que permite la conexion externa del electrodo de fibra conductor, independientemente de su forma ffsica o mecanica.
En la presente memoria descriptiva, “region de terminal” y “zona de terminal” se usan de manera intercambiable y tienen el mismo significado.
En la presente memoria descriptiva, el termino "matriz", con relation al terminal, se refiere a un material de terminal que encapsula el material de fibra conductor en la zona de terminal en una estructura tridimensional que tiene longitud, anchura y profundidad.
En la presente memoria descriptiva, la expresion "vehmulo frfbrido" se refiere a un vehmulo que incorpora una cualquiera de entre la elimination del ralentf (funcionalidad parada-arranque), frenado regenerativo y cualquier combination de un motor de combustion interna con un motor electrico, donde uno u otro o ambos pueden proporcionar una funcionalidad de accionamiento, un vetnculo hnbrido puede incluir tambien un vetnculo que puede ser solo un vetnculo tnbrido parcial.
La expresion "que comprende", tal como se usa en la presente memoria descriptiva, significa "que consiste al menos en parte en". Cuando se interpreta cada afirmacion en la presente memoria descriptiva que incluye el termino "que comprende", puede haber presentes tambien caracterfsticas distintas de la o las precedidas por la expresion. Los terminos relacionados, tales como "comprenden" y "comprende" deben interpretarse de la misma manera.
Breve descripcion de las figuras
Las realizaciones de la invencion se describen adicionalmente con referencia a las figuras adjuntas, a modo de ejemplo, en las que:
La Figura 1 muestra parte de un electrodo de material de fibra de carbono con un terminal de Pb formado por una primera realization de impregnation a presion de la invencion,
La Figura 2 es una section transversal esquematica de un electrodo que comprende multiples capas de material de fibra de carbono y un terminal,
Las Figuras 3-1 a 3-7 muestran esquematicamente una serie de etapas para formar un terminal sobre un electrodo de material de fibra segun la primera realizacion de impregnacion a presion de la invencion,
Las Figuras 4A y 4B son vistas esquematicas de las caras internas de dos partes de matriz opuestas de una realizacion de una matriz,
Las Figuras 5A y 5B son vistas esquematicas en seccion transversal a lo largo de la lmea I-I de la Figura 4A y la lmea II-II de la Figura 4B respectivamente de las placas posterior y frontal de otra realizacion de una matriz,
Las Figuras 6A y 6B, 7A y 7B, y 8A y 8B son imagenes SEM de terminales formados mediante la primera realizacion de impregnacion a presion de la invencion y a las que se hace referencia adicionalmente en la descripcion subsiguiente del trabajo experimental,
La Figura 9 muestra un electrodo de material de fibra de carbono con otra forma de terminal de Pb formada mediante una segunda realizacion de impregnacion a presion de la invencion,
La Figura 10 es una vista del electrodo de fibra de carbono de la Figura 9 en la direction de la flecha F de la misma,
La Figura 11 es una vista esquematica en seccion transversal aumentada de una matriz para formar un terminal de la forma de las Figuras 9 y 10,
Las Figuras 12A y 12B son vistas esquematicas de las caras internas de dos partes de matriz opuestas de la matriz de la Figura 11,
La Figura 13 es una vista esquematica en seccion transversal a lo largo de la lmea III-III de la Figura 11, pero de solo una parte de la matriz (parte izquierda: en la Figura 14)
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La Figura 14 es una vista esquematica en seccion transversal a lo largo de la lmea IV-IV de la Figura 11 (ambas partes de matriz),
Las Figuras 15-1 a 15-6 muestran esquematicamente una serie de etapas para formar un terminal sobre un electrodo de material de fibra segun la segunda realizacion de impregnacion a presion de la invencion,
La Figura 16 es una vista esquematica en seccion transversal de una matriz para formar un terminal sobre un electrodo de material de fibra, segun una tercera realizacion de impregnacion a presion de la invencion,
La Figura 17 ilustra esquematicamente las etapas de una realizacion para formar electroqmmicamente un terminal sobre un electrodo de material de fibra,
La Figura 18 es una vista en perspectiva de un electrodo producido mediante el procedimiento de la Figura 17,
Las Figuras 19 y 20 son imagenes SEM de terminales formados mediante la segunda realizacion de impregnacion a presion de la invencion y a las que se hace referencia adicionalmente en la descripcion subsiguiente del trabajo experimental, y
Las Figuras 21 muestran los resultados de un ensayo de rendimiento de CCA al que se hace referencia en la descripcion subsiguiente del trabajo experimental.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
Lenguetas impregnadas a presion
La Figura 1 muestra una seccion de un electrodo de fibra conductor tal como de fibra de carbono, para una celda o baterfa de Pb-acido, por ejemplo, con una forma de terminal tal como un terminal de Pb, formado sobre el material de fibra mediante una primera realizacion de impregnacion a presion de la invencion. El material de fibra se indica en 1 y el terminal en 2. El terminal puede tener un espesor similar (dimension a traves del plano del material) al espesor del material de fibra o un espesor mayor. La Figura 2 es una seccion transversal esquematica de un electrodo similar que comprende multiples capas 1 de material de fibra, y un terminal 2. En ambas realizaciones el terminal tiene una extension 3 de terminal mas alla del borde del material de fibra, que comprende solo material de terminal, es decir, material de terminal solido tal como Pb.
Las Figuras 9 y 10 muestran un electrodo de fibra conductor tal como de fibra de carbono, para una celda o baterfa de Pb- acido, por ejemplo, con otra forma de terminal, tal como un terminal de Pb, formado sobre el material de fibra mediante una segunda realizacion de impregnacion a presion de la invencion. El material de fibra se indica una vez mas en 1 y el terminal en 2. El terminal 2 comprende una parte 4 (la zona de terminal del electrodo) en la que el material de fibra esta impregnado por el material del terminal, y una extension 3 de terminal mas alla del borde del material de fibra, que comprende solo material de terminal. En la realizacion mostrada, el terminal tiene un espesor similar (dimension a traves del plano del material) al espesor del material de fibra y el terminal puede no ser mas grueso que el material de fibra de carbono.
El terminal es formado rfpicamente en metal, tal como Pb o una aleacion de Pb, Zn o una aleacion de Zn, o Cd o una aleacion de Cd, pero de manera alternativa puede ser formado en otro material de terminal, tal como un polfmero conductor, por ejemplo.
En la realizacion mostrada, el terminal se extiende a lo largo de un unico borde del electrodo, que es un unico borde superior, pero, de manera alternativa, el terminal puede extenderse a lo largo de dos o mas bordes del electrodo, el terminal puede tener una forma curva o arqueada y/o puede ser formado para extenderse a traves de un area central de un electrodo.
En algunas realizaciones, sustancialmente todas o al menos una mayor parte de las fibras del material de electrodo se extienden continuamente a traves del electrodo a o a traves del terminal.
El material de fibra puede ser un material no tejido tal como tejido de fieltro, de punto o tejido, en particular un tejido no tejido tal como un tejido de fibra de carbono de fieltro, de punto o tejido. De manera alternativa, el material puede ser un material fibroso basado en fibra de vidrio o de silicio, que puede estar revestido con un material conductor rfpicamente metalico, tal como una pelfcula o un revestimiento de Pb. Las fibras, por ejemplo, fibras de carbono, son rfpicamente multifilamentosas, pero pueden ser monofilamentosas. En al menos algunas realizaciones, el material de fibra tiene una separacion media entre fibras de menos de aproximadamente 250 micrometros, menos de aproximadamente 100 micrometros, menos de aproximadamente 50 micrometros, menos de aproximadamente 20 micrometros o menos de aproximadamente 10 micrometros. En al menos algunas realizaciones, el diametro de fibra esta comprendido en el intervalo de aproximadamente 1 micrometro a aproximadamente 30 micrometros, de aproximadamente 4 micrometros a aproximadamente 20 micrometros, o de aproximadamente 5 micrometros a aproximadamente 15 micrometros. El
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espacio vado en el material (no impregnado) puede estar comprendido en el intervalo de aproximadamente el 50% a al menos aproximadamente el 1%, de aproximadamente el 40% a aproximadamente el 1%, o de aproximadamente el 30% a aproximadamente el 1%.
En algunas realizaciones, el material de impregnacion impregna entre al menos aproximadamente el 50%, al menos aproximadamente el 70%, al menos aproximadamente el 80% o al menos aproximadamente el 95% de las fibras.
En algunas realizaciones, el espacio vado entre las fibras en el material de fibra (estando definida la fraccion del volumen total por las dimensiones exteriores del material no ocupadas por las fibras - en el material no impregnado) se reduce mediante impregnacion del material de terminal entre el espacio vado inter-fibras entre las fibras, al menos aproximadamente un 50%, al menos aproximadamente un 70%, al menos un 80%, al menos aproximadamente un 95%, al menos aproximadamente un 98% o al menos aproximadamente un 99%.
En algunas realizaciones, las fibras del material de fibra son fibras multifilamento y el material de terminal de impregnacion penetra tambien entre los filamentos, reduciendo tambien el espacio vado intra-fibras. En algunas realizaciones, el espacio vado intra-fibras se reduce tambien a aproximadamente el 40%, a aproximadamente el 30%, a aproximadamente el 25%, a aproximadamente el 20%, a aproximadamente el 10%, a aproximadamente el 5%, o a aproximadamente el 1% del espacio vado intra-fibras en el material de fibra no impregnado.
Una matriz del material de terminal encapsula el material de electrodo de fibra de carbono de microescala en la zona de terminal. Se forma una conexion de resistencia electrica muy baja entre el material de electrodo de fibra de carbono de microescala y el terminal. Tambien se minimiza el espacio vado entre el material de terminal y las fibras, previniendo o minimizando que el electrolito de la batena entre posteriormente en la conexion terminal a fibra y deteriore la conexion, de manera que la conexion es mas duradera.
Opcionalmente, cualquier espacio vado restante (celda abierta/porosa) entre el material de terminal y las fibras y/o los filamentos puede reducirse rellenandolo con un material que es sustancialmente inerte al electrolito, tal como por ejemplo un poftmero no conductor, tal como un epoxi.
Opcionalmente, el material de impregnacion (no inerte a un electrolito) esta protegido de la mayor parte del electrolito por una barrera de material inerte.
Opcionalmente tambien, el material de terminal de impregnacion puede ser un material que es electricamente conductor, pero sustancialmente inerte a un electrolito de batena, tal como un electrolito de una batena de Pb-acido, tal como titanio.
El material conductor o de fibra de carbono puede tener un espesor (transversal a una longitud y anchura o en dimensiones planas del electrodo) muchas veces, tal como aproximadamente 10, 20, 50 o 100 veces, menor que la dimension plana del electrodo o cualquier dimension plana del electrodo. El espesor puede ser menor de aproximadamente 5 o menor de aproximadamente 3 mm o menor de aproximadamente 2 mm o aproximadamente o menor de aproximadamente 1 mm o aproximadamente 0,2 mm, por ejemplo. Cada una de las dimensiones de longitud y anchura en el plano del electrodo puede ser mayor de aproximadamente 50 o aproximadamente 100 mm, por ejemplo. Dichos electrodos tienen una forma plana con bajo espesor. En formas preferidas, el electrodo es sustancialmente plano y tiene una dimension desde un terminal metalico para conexion externa a lo largo de al menos un borde del electrodo menor de aproximadamente 100 mm o menor de aproximadamente 70 mm o menor de aproximadamente 50 mm o aproximadamente 30 mm o menos por ejemplo (con o sin un colector de corriente de macroescala). De manera alternativa, dicha forma plana puede formarse en un electrodo ciftndrico, por ejemplo.
Formacion determinales mediante impregnacion a presion
Las Figuras 3-1 a 3-7 muestran esquematicamente una serie de etapas para impregnar a presion un material de fibra de microescala para formar un terminal de la forma de las Figuras 1 y 2. La Figura 4A es una vista esquematica de la cara interior de la parte de matriz mostrada a la izquierda en las Figuras 3-1 a 3-7, y la Figura 4B es una vista esquematica de la cara interior de la parte de matriz mostrada a la derecha en las Figuras 3-1 a 3-7. El terminal esta formado mediante impregnacion a presion de un metal de terminal en una parte de la zona de terminal del material de fibra para penetrar en y formar una conexion electrica al material de fibra en la zona de terminal. Con referencia a las Figuras 3-1 y 4A y 4B, en la realizacion mostrada, la matriz comprende dos partes 10 y 11 de matriz con cavidades 12 y 13 internas. Las partes 10 y 11 de matriz se cierran y se abren redprocamente durante el funcionamiento en la direccion de la flecha A (vease la Figura 3-1). Las partes de matriz se acercan entre sf junto con el material de fibra, indicado en 1 en la Figura 3, entre las mismas y extendiendose a traves de la cavidad de la matriz, tal como se muestra. La Figura 3-1 muestra la matriz abierta, es decir, las dos partes de la matriz separadas, y la Figura 3-2 muestra las dos partes de la matriz cerradas contra el material de fibra, pero antes de la inyeccion de metal de terminal. Una (o ambas) de las partes de la matriz pueden comprender una protuberancia o pared 14 periferica (parte limftrofe o periferica de la matriz) alrededor de la cavidad, que cuando las partes de la matriz se cierran, contacta con las fibras de carbono alrededor de una parte limftrofe o periferica de la zona de terminal del material de fibra. Sin embargo, la presion o la fuerza de cierre entre las partes de la matriz y, de
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esta manera, contra la fibra puede ser de un nivel que no dane o dane significativamente, por ejemplo, dane estructuralmente, el material de fibra, por aplastamiento. La presion de cierre puede ser menor que la presion de inyeccion del metal fundido dentro de la cavidad de la matriz. En algunas realizaciones, la presion contra el material de fibra puede ser (solamente) de aproximadamente 500 kPa (5 Bar), por ejemplo, para materiales de fibras de carbono tejidos, o hasta solamente 500 kPa (5 Bar) para material de fibra de carbono no tejido, tal como material de fieltro, por ejemplo. En una realizacion, es posible que las partes de la matriz no toquen el material de fibra, sino que, cuando la matriz esta cerrada, pueden estar ligeramente separadas, por ejemplo, menos de 0,5 mm o menos de 0,25 mm de la superfine del material de fibra. Dicho hueco puede permitir que el material de terminal fluya alrededor de las superficies exteriores del material de fibra, pero deberfa ser suficientemente pequeno de manera que este material de terminal se enfrfe rapidamente y se solidifique (congele) de manera que el material de terminal inyectado adicional sea entonces impregnado por presion en el material de fibra. De manera alternativa, las partes de matriz pueden contactar con el material de fibra cuando estan cerradas, pero sin presion/compresion del material de fibra.
Con referencia a la Figura 3-3, el metal 2a de terminal es calentado e impregnado en la cavidad de la matriz a traves de uno o mas puertos y preferiblemente un puerto tal como el indicado en 15, que suministra metal de terminal fundido a un area central de la cavidad, tal como se muestra. La presion de impregnacion causa que el metal fundido penetre entre las fibras de microescala en la zona del terminal, y se mantiene a un nivel tal que el metal fundido pase desde el lado 11 de inyeccion de la cavidad de la matriz y entre las fibras en la zona del terminal, para llenar la cavidad entre los dos lados de la cavidad de la matriz, de manera que se forma un terminal con metal en ambos lados del material de fibra y con el metal penetrando entre las fibras, es decir, llenando al menos parcialmente el espacio vado entre las fibras, y preferiblemente penetrando tambien en las fibras si las fibras son fibras multifilamentosas, es decir, llenando al menos parcialmente el espacio vado intra-fibras. De manera alternativa, el metal puede ser impregnado desde ambos lados o desde un borde de la cavidad de la matriz.
Cuando el metal penetrante alcanza la parte 14 limftrofe de la cavidad de matriz o la zona de terminal del material de fibra, el metal fundido penetrante en o adyacente y alrededor de la parte 14 limftrofe se enfrfa y se solidifica, es decir, se congela. Este metal limftrofe enfriado y solidificado del terminal en formacion previene una penetracion adicional del metal de terminal fundido en el material de fibra mas alla de la parte 14 limftrofe y, por lo tanto, la presion de sujecion entre las dos partes de matriz puede ser menor que la presion de inyeccion del material o metal de impregnacion. A continuacion, el metal en la cavidad de la matriz, es decir, el terminal 2 formado, se deja enfriar y solidificar, tal como se muestra en las Figuras 3-5 y 3-6 para formar un terminal completo (solido), tal como se muestra en la Figura 3-6 y, a continuacion, la matriz se abre, tal como se muestra en la Figura 3-7, para liberar o expulsar el material de fibra con un terminal metalico solidificado sobre el mismo.
En algunas realizaciones, el enfriamiento y la solidificacion en primer lugar de la periferia del terminal se consigue debido a que la parte limftrofe o periferica de la matriz, tal como la protuberancia o pared 14, tiene una mayor conductividad termica (o es mas disipativa termicamente) que una zona central de la cavidad de la matriz. En otras realizaciones, la parte limftrofe se mantiene a o se enfrfa a una temperatura inferior a la de una zona central de la cavidad de la matriz mediante conductos en las partes de matriz a traves de los cuales se hace circular, por ejemplo, un fluido refrigerante.
En la realizacion mostrada en las Figuras 3-1 a 3-7, la parte 10 de matriz tiene una cavidad 12 opuesta al puerto 15 de inyeccion que se mantiene o se enfrfa a una temperatura inferior a la temperatura de fusion del material de terminal inyectado. La parte 10 de matriz esta provista tambien de un inserto 17 aislante termico. La temperatura de la otra parte 11 de matriz con el puerto 15 de inyeccion se mantiene mas cerca del punto de fusion del metal del terminal para prevenir que el metal fundido inyectado se solidifique prematuramente. Con referencia a la Figura 3-5, cuando el metal fundido entra y comienza a llenar en primer lugar la cavidad de la matriz, en el centro de la cavidad de la matriz contacta con el inserto 17 aislante termico, lo que previene que el metal fundido se enfrfe y solidifique demasiado rapido en el centro de la cavidad de la matriz. De esta manera, el metal fundido en el centro de la cavidad de la matriz continua fluyendo bajo la presion de inyeccion, hacia fuera hacia la periferia de la cavidad de la matriz, para llenar toda la cavidad de la matriz y para penetrar la fibra de carbono en la cavidad de la matriz (y se congela primero en la periferia, tal como se ha descrito anteriormente). De manera alternativa, en lugar de proporcionar el inserto 17 aislante termico, la zona central de la cavidad de la matriz puede ser calentada durante la inyeccion de metal con relacion a la periferia 14 de la cavidad de la matriz.
La Figura 5A es una vista esquematica en seccion transversal lateral de la parte 10 de placa posterior de la matriz a lo largo de la lmea I-I de la Figura 4A que muestra el material 17 aislante termico en el centro de la cavidad de la matriz montado sobre un piston 18. Este piston puede moverse en la direccion de la flecha A para comprimir el material impregnado fundido en el material de fibra antes de la congelacion, para reducir adicionalmente el espacio vado, y puede ser operado tambien para expulsar el terminal formado una vez que se han abierto las placas de la matriz.
La Figura 5B es una vista esquematica en seccion transversal lateral de la parte 11 de placa frontal a lo largo de la lmea N-N de la Figura 4B. En esta realizacion, el material 17a aislante termico esta provisto en el centro del lado de la parte de inyeccion de la matriz y alrededor del puerto 15 de inyeccion.
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Las Figuras 11 a 15 muestran esquematicamente la impregnacion a presion mediante una segunda realization para formar un terminal de la forma de las Figuras 9 y 10. Las Figuras 11 a 14 son vistas esquematicas en section transversal de un sistema de matriz, y las Figuras 15-1 a 15-6 muestran esquematicamente una serie de etapas para formar un terminal.
Una vez mas, el terminal es formado mediante impregnacion a presion en una parte de la zona de terminal de material de fibra para formar una penetration conductora en, y una conexion con, el material de fibra en la zona de terminal. La matriz comprende dos partes 20 y 21 de matriz que se cierran y se abren conjunta y redprocamente durante el funcionamiento en la direction de la flecha B. La matriz comprende una cavidad 22 interna. La matriz (cuando esta cerrada) comprende un conducto 23 de flujo transversal (vease la Figura 15-2) debajo de la cavidad 22 (debajo en la direccion del movimiento C del material fundido - tal como se describira mas adelante). El conducto 23 de flujo transversal esta constituido por cavidades 23a y 23b transversales en las partes de matriz opuestas. Tanto la cavidad 22 de matriz como el conducto 23 de flujo se extienden transversalmente a traves de la matriz (veanse las Figuras 12 y 14) y estan separados por una proyeccion 25 transversal en una parte 21 de matriz a lo largo de la cavidad 22 de la matriz. Cuando las partes 20 y 21 de matriz se juntan, la parte superior de la cavidad de la matriz se abre a la ranura 24 transversal.
Durante el funcionamiento, las partes 20 y 21 de matriz se juntan con un borde del material 1 de fibra sobre el que debe formarse un terminal en la cavidad de la matriz, tal como se muestra en la Figura 11 (aunque la Figura 11 muestra la matriz abierta con el terminal formado sobre la misma). El resto del material 1 de fibra se extiende desde la ranura 24 transversal abierta. El metal 2a de terminal es calentado e impregnado en la cavidad de la matriz a traves del puerto 26 de inyeccion que suministra metal fundido al interior del conducto 23 de flujo que se extiende transversalmente a traves de la matriz, la cual llena. El metal fundido sale entonces del conducto 23 de flujo transversalmente a traves de la matriz moviendose en la direccion de la flecha C en la Figura 11, y fluye a traves de un hueco de inyeccion transversal mas alla de la protuberancia 25 transversal que se extiende tambien a traves de la matriz y al material 1 de fibra a lo largo y a traves de su borde, impregnando de esta manera el material de fibra. El metal fundido penetra el material de fibra en la zona del terminal. Hay provistos conductos 28 de refrigeration en las partes 20 y 21 de matriz a traves de los cuales se hace circular el fluido refrigerante para enfriar la matriz sobre la zona de terminal del material de fibra durante el uso. La parte frontal del metal fundido que se mueve hacia arriba por la cavidad de la matriz 22 y al interior del material 1 de fibra se enfna y se solidifica, es decir, se congela, y la lmea transversal resultante de metal solido a traves de la matriz previene una penetracion adicional del metal en el material de fibra y define el lfmite del terminal de metal. Despues de un penodo de tiempo predeterminado, la presion de inyeccion se termina y el metal en el conducto 23 de flujo y la cavidad 22 de la matriz se deja enfriar y solidificar y, a continuation, las partes de matriz se abren para liberar o expulsar el material de fibra de carbono con un terminal metalico sobre el mismo.
La Figura 15-1 muestra la matriz abierta, es decir, las dos partes 20 y 21 de matriz separadas, y la Figura 15-2 muestra las dos partes de matriz cerradas contra el material 1 de fibra, pero antes de la inyeccion de metal. La Figura 15-3 muestra el metal 2a caliente entrando a la cavidad de la matriz a traves del puerto 26 y llenando el conducto 23 a traves de la anchura de la matriz. La Figura 15-4 muestra el metal fundido entrando a la cavidad 22 de la matriz y penetrando en la fibra de carbono. La Figura 15-5 muestra el enfriamiento del metal para solidificar el terminal sobre la fibra 1 de carbono, y la Figura 15-6 muestra la abertura de la matriz para liberar el material de fibra de carbono con un terminal metalico sobre el mismo.
La dimension a traves de la cavidad 22 de matriz entre las dos partes 20 y 21 de matriz puede ser aproximadamente igual que el espesor del material de fibra para formar un terminal delgado de aproximadamente el mismo espesor que el material de fibra, tal como se ha descrito anteriormente o puede ser mayor para formar un terminal mas grueso. Una vez mas, la presion o la fuerza de cierre entre las partes de matriz y, de esta manera, contra la fibra, puede ser a un nivel que no dane o dane significativamente, por ejemplo, dane estructuralmente, el material de fibra, por aplastamiento. En algunas realizaciones, la presion contra el material de fibra puede ser (solo) de aproximadamente 500 kPa (5 Bar), por ejemplo, para materiales de fibra de carbono tejidos, o hasta 500 kPa (5 Bar) para un material de fibra de carbono no tejido tal como material de fieltro, por ejemplo. En una realizacion, es posible que las partes de matriz no toquen el material de fibra, sino que, cuando la matriz esta cerrada, pueden estar ligeramente separadas, por ejemplo, menos de 0,5 mm o menos de 0,25 mm desde la superficie del material de fibra. Dicho hueco puede permitir que el material de terminal fluya alrededor de las superficies exteriores del material de fibra, pero debena ser suficientemente pequeno de manera que este material de terminal se enfne y se solidifique (se congele) rapidamente de manera que el material de terminal inyectado adicional se impregne por presion en el material de fibra. De manera alternativa, las partes de matriz pueden contactar con el material de fibra cuando se cierran, pero sin presion/compresion del material de fibra.
La Figura 16 es una seccion transversal esquematica de una matriz para formar un terminal sobre un electrodo de material de fibra, segun una tercera realizacion de impregnacion a presion de la invention. En esta realizacion, la presion que impregna el material de terminal fundido en el material de fibra es generada cerrando una matriz sobre el material de terminal y el material de fibra en la matriz. Con referencia a la Figura 16, las matrices 80 y 81 se mueven redprocamente tal como se indica mediante las flechas D sobre un lecho 82 de maquina (la Figura muestra la matriz abierta). Hay provistos un conducto o unos conductos 89 que transportan fluido refrigerante a lo largo de una parte distal de cada parte
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80 y 81 de matriz. De manera alternativa, las partes distales de las partes 80 y 81 de matriz pueden estar formadas en un material que disipa el calor mas rapidamente, por ejemplo.
Durante el funcionamiento, el borde del material 1 de fibra sobre el que se va a formar un terminal es posicionado en la cavidad de la matriz entre las partes 80 y 81 de matriz, tal como se muestra. El resto del material de fibra se extiende desde la ranura 85 transversal abierta. El metal de terminal es posicionado tambien previamente en la cavidad de la matriz. Por ejemplo, en la Figura, dos tiras 84 de material de terminal se muestran intercaladas entre tres capas de material 1 de fibra. Las partes 80 y 81 de matriz se calientan y se juntan para cerrar la matriz, calentando el metal de terminal bajo presion, que se funde y penetra en el material 1 de fibra en la zona del terminal. El metal de terminal fundido que se mueve a traves del material de fibra en la direccion de la flecha E se enfrfa y se solidifica, es decir, se congela en las proximidades del conducto o los conductos 89 y la lmea transversal resultante de metal solido en el material de fibra a traves de la abertura de ranura de la matriz previene una penetracion adicional del metal al material de fibra de carbono y define el lfmite del terminal de metal. Despues de un perfodo de tiempo predeterminado, la presion de inyeccion se termina y el metal en la cavidad de la matriz se deja enfriar y solidificar y, a continuacion, la matriz se abre para liberar o expulsar el material de fibra de carbono con un terminal metalico sobre el mismo.
En todas las realizaciones anteriores, para ayudar a la impregnacion del material de fibra por el metal de terminal bajo presion, puede aplicarse vibracion o energfa al metal de terminal fundido a traves de una o mas partes de matriz durante la impregnacion, por ejemplo, a una frecuencia de ultrasonidos, tal como una frecuencia comprendida en el intervalo de aproximadamente 15 a aproximadamente 25 kHz.
Construccion de baterfas o celdas
Un terminal formado sobre un electrodo de material de fibra, tal como se ha descrito anteriormente, puede comprender tambien, sobre uno o ambos lados del material de fibra, un alambre o una cinta de metal fijada electricamente al material de electrodo y al terminal, para proporcionar una via de recogida de corriente de macroescala adicional desde la fibra de carbono al terminal de metal, ademas de las vfas de micro-escala a traves del propio material de fibra de carbono del terminal. El alambre o cinta de metal puede ser fijado al material de fibra por ejemplo cosiendo con un hilo que no se disuelva en el electrolito de la baterfa u otro material inerte de union de la baterfa de Pb-acido que mantendra el colector de corriente en su sitio, tal como una resina, cemento o una mezcla para macetas. El alambre o cinta de metal puede ser presionado en el material de fibra durante la fabricacion. De manera alternativa, el alambre o la cinta o similar puede ser soldado o impreso sobre el material de fibra. El alambre metalico o la cinta o cintas pueden ser dispuestos en una forma sinuosa sobre uno o ambos lados del material de fibra, extendiendose continuamente entre el terminal en un borde del electrodo, en cuyo borde el alambre o cinta esta conectado de manera conductiva al terminal al estar incorporado al terminal, y en o hacia otro borde separado del electrodo. De manera alternativa, el alambre o cinta puede extenderse entre los terminales de metal a lo largo de los bordes opuestos del electrodo o un bastidor alrededor del electrodo. De manera alternativa una vez mas, longitudes separadas del alambre o la cinta pueden extenderse desde el terminal en un borde a o hacia otro borde del electrodo o, de manera alternativa una vez mas, el macro-conductor de alambre o cinta, tal como se ha descrito, puede comprender una malla metalica unida sobre uno o ambos lados del material de fibra. Los extremos del alambre o de la cinta o malla pueden terminar y ser incorporados en el terminal. Es importante que, cuando el colector de corriente esta sobre la superficie exterior del electrodo que actua como el electrodo negativo, el colector de corriente este protegido contra la oxidacion anodica desde el electrodo positivo. Preferiblemente, el alambre o la cinta se extiende hacia arriba y hacia abajo a lo largo de la longitud del electrodo con la misma separacion a traves de la anchura del electrodo sin ningun punto de cruce, para prevenir que se produzcan puntos calientes locales o acumulacion de calor en zonas particulares y se consiga una recoleccion de corriente homogenea a traves del electrodo. Preferiblemente, el volumen del alambre o cinta o malla o sistema similar de recoleccion de corriente de macroescala es menor de aproximadamente el 15% del volumen del electrodo (excluyendo el terminal o el bastidor metalico circundante o similar).
Tfpicamente durante la construccion de baterfas o celdas, el material colector de corriente de microescala es impregnado bajo presion con una pasta que, en una forma preferida, comprende una mezcla de Pb y parrfculas de PbO y PbO y acido sulfurico diluido. De manera alternativa, la pasta puede comprender parrfculas de sulfato de plomo (PbSO4) y acido sulfurico diluido. En algunas realizaciones, la pasta a ser impregnada en el electrodo comprende acido sulfurico diluido que comprende entre mas del 0% y aproximadamente el 5%, o entre el 0,25% y aproximadamente el 3%, o entre el 0% y aproximadamente el 2%, o entre el 0,5 y el 2,5% en peso de la pasta de acido sulfurico. Las parrfculas a base de Pb pueden comprender parrfculas molidas o formadas qmmicamente que pueden tener un tamano medio de 10 micrometres o menos, suficientemente pequeno para encajar facilmente en los espacios entre las fibras. La pasta o material activo puede llenar el electrodo de fibra de carbono hasta el terminal de manera que el material activo contacte con o se apoye en el terminal donde la fibra entra en el terminal y se conecte electricamente directamente al terminal, no solo en la superficie del material de fibra en ambos lados, sino tambien a traves del espesor del material de fibra y a lo largo de una parte principal o sustancialmente toda la longitud del lfmite entre el material de terminal y el material de fibra impregnado de material no de terminal en este lnmite, o puede detenerse sin llegar al terminal de manera que haya un pequeno hueco entre la pasta y el terminal, tal como un hueco de hasta aproximadamente 5 mm por ejemplo. En una realization preferida, el terminal esta formado de manera que tenga protuberancias del terminal, tales como protuberancias de Pb, al
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material activo impregnado en el material de fibra de carbono, tal como se ha descrito anteriormente.
Tal como se ha indicado preferiblemente, la relacion superficie a volumen de las partfculas de Pb en el material activo es al menos aproximadamente 3 veces mayor, o preferiblemente aproximadamente 5 veces mayor, o preferiblemente aproximadamente 10 veces mayor, o preferiblemente aproximadamente 20 veces mayor, que una relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal. Preferiblemente, la relacion superficie a volumen de las partfculas de Pb en el material activo es mayor de aproximadamente 2 m2/cm3 o mayor de aproximadamente 1 m2/cm3 y la relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal es menor de aproximadamente 0,05 m2/cm3 La superficie asociada con el material de terminal fundido que ha sido inyectado en las capas de fibra, enfriandose a medida que entra, es probable que sea similar al area superficial de las fibras que enfriara alrededor suyo, o menor. Por ejemplo, un fieltro de carbono puede tener un area de las superficies cilmdricas de las fibras igual a aproximadamente 20 m2 por mm de espesor para 1 m2 de area superficial, que es equivalente a 0,02 m2 por cm3 del volumen total de fieltro. De esta manera, el flujo de plomo fundido alrededor de esta red de fibras formara (por congelacion sobre las fibras fnas en primer lugar) una estructura de plomo con ramificaciones de diametro mayor que el diametro de las fibras, es decir, el diametro de las ramas de este fieltro cargado con plomo puede aumentar de 10 micrometros a aproximadamente entre 15 y 20 micrometros con area superficial quizas de 0,01 m2 por cm3 (para una impregnacion con una fraccion de volumen mayor, estas ramas se fusionaran y la superficie disminuira todavfa mas). Estas areas superficiales pueden compararse con las del material activo normal en el interior de un electrodo negativo en una celda de plomo-acido. La masa activa que contiene plomo se divide en un esqueleto de plomo que transporta corriente (que no es susceptible al cambio electroqmmico durante los ciclos de carga y descarga) y una masa mucho mas delgada que es susceptible al cambio y, de hecho, produce las corrientes electricas de trabajo de la batena. El "material activo energetico" mucho mas delgado puede tener ramas de aproximadamente 0,3 micrometros de diametro. El esqueleto puede ser muy similar a las ramas formadas mediante impregnacion parcial indicada anteriormente, con un ataque electroqmmico insignificante. Sin embargo, el area superficial del material electroqmmicamente activo, delgado, puede tener (20)/0,3) = 70 veces el area superficial por unidad de volumen de plomo y, por lo tanto, sufre casi todo el ataque qmmico. La division entre material delgado y el material de esqueleto grueso es de aproximadamente 50/50 en la mayona de los electrodos negativos.
Formacion electroqmmica de terminales
Con referencia a la Figura 17, en una realization de un procedimiento de formacion electroqmmica de terminales de la invention tal como se aplica a un electrodo de una batena o una celda de Pb-acido, un elemento de material de fibra de carbon o conductor, tal como un elemento de electrodo, tiene aplicada al mismo una pasta que comprende partfculas a base de plomo, en la Figura 17 el elemento 61 con dicha aplicacion de pasta esta indicado en la etapa 17-1. La pasta puede ser impregnada en el material de fibra bajo presion y/o con vibration, tal como vibration ultrasonica, para impregnar completamente la pasta entre las fibras. De manera optima, a continuation, puede llevarse a cabo un procedimiento de curado, en el que, por ejemplo, se controlan la humedad y/o la temperatura.
La pasta puede comprender partfculas de sulfato de Pb, partfculas de PbO, partfculas de Pb, o una mezcla de partfculas de sulfato de Ph, partfculas de PbO y/o partfculas de Pb. En realizaciones preferidas, esta pasta es sustancialmente la unica fuente de plomo en la pasta de material activo. Las partfculas pueden comprender partfculas molidas o formadas qmmicamente y al menos una fraccion principal, y preferiblemente al menos 80%, de las partfculas pueden tener un tamano o un diametro medio de 10 micrometres o menos. De manera opcional, la pasta puede contener tambien otros aditivos, tales como negro de humo, sulfato de bario y sulfonato.
Las superficies de fibra del material pueden ser tratadas superficialmente para mejorar la fijacion de las partreulas basadas en Pb mediante un procesamiento para fijar partreulas de oxido o grupos qmmicos portadores de oxfgeno a las fibras. La oxidation anodica de un tejido de fibra de carbono tratado con arco electrico puede convertirlo tambien en un material hidrofilo. Esto puede ayudar a una distribution uniforme de las partreulas activas a traves del material y una atraccion inicial del Pb (cubierto con grupos oxidos) al carbono, mediante atracciones dipolo-dipolo.
Tal como se indica en la etapa 17-2 de la Figura 17, un conector o unos conectores 62 metalicos o conductores que comprenden, por ejemplo, tiras metalicas o en cualquier otra forma adecuada, son fijados mecanicamente al elemento 1 de fibra de carbono con pasta aplicada, por ejemplo, a lo largo de al menos un borde o, de manera alternativa, extendiendose a traves del elemento de fibra de carbono. De esta manera, una zona 63 del material con pasta aplicada es capturada por los conectores 62. Las tiras pueden ser, por ejemplo, engastadas al borde del material o si no pueden ser fijadas mecanicamente al material, por ejemplo, con compresion, calentamiento tal como calentamiento por induction o resistivo, tal como se indica en la etapa 17-3. De manera alternativa o adicional, puede proporcionarse una cinta o unas cintas metalicas entre cada una de las dos o mas capas de material de fibra de carbono que forman el elemento 1 de fibra de carbono. De manera alternativa una vez mas, pueden incorporarse fibras metalicas en el borde del elemento 1 de fibra de carbono, por ejemplo, tejiendolas al material de fibra de carbono en o cerca del borde.
Tal como se indica en la etapa 17-4, el elemento 1 de fibra de carbono con pasta aplicada con un conector o unos conectores 62 es sumergido en acido sulfurico diluido en una celda 64, para cubrir la parte superior del conector, y es
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conectado como el electrodo negativo opuesto a otro electrodo polarizado positivamente. Se hace pasar una corriente electrica a traves del conector o los conectores 62 y el material 1 para conectar electricamente las fibras y el conector o los conectores mediante una conversion electroqmmica de la pasta en la zona 63 en una red de Pb. Esto forma Pb entre las fibras de carbono y supera los problemas de tension superficial entre el Pb y las fibras de carbono en los procedimientos disponibles actualmente. De manera alternativa, en algunas realizaciones, la pasta comprende acido sulfurico diluido, o es puesta en contacto con acido sulfurico diluido, por ejemplo, mediante pulverization de acido sulfurico diluido sobre el material de elemento de fibra de carbono, en lugar de mediante inmersion. La corriente electrica que pasa a traves del conector o los conectores y el material del elemento de fibra de carbono y la pasta humedecida con acido sulfurico diluido entre los mismos, causa que las parrfculas basadas en Pb en la pasta se conviertan en plomo primero justo debajo del conector y, de manera gradual, mtimamente entre las fibras de material de electrodo en la zona 63, para conectar o conectar electricamente las fibras con el conector. Tfpicamente, esta etapa puede ser llevada a cabo al comienzo de la formation inicial del electrodo (primer ciclo de carga y descarga durante el que se forman los enlaces de las parrfculas activas) antes o despues de la construction de la celda o la baterfa. De esta manera, el mismo proceso de conduction-formation que se produce en la zona 63 se propaga al resto del electrodo. Puede ser ventajoso que, durante la formacion, la corriente de carga sea pulsada periodicamente.
En las realizaciones descritas anteriormente, el conector 62 es una tira metalica tal como una tira de Pb fijada mecanicamente al elemento de fibra de carbono. En una realization alternativa, cada uno de los conectores 62 es reemplazado por un dispositivo de sujecion mecanico, por ejemplo, una abrazadera que tiene superficies similares al plomo de la misma geometrfa deseada que el conector 62. Estos dispositivos de sujecion opuestos pueden entonces ser retirados despues de proporcionar un contacto temporal con la zona 63 durante el proceso de formacion. El electrolito acido requerido se difunde en la zona 63 a lo largo del material de fibra desde el borde o desde la parte principal del electrodo.
Despues de la conversion electroqmmica, el elemento de fibra de carbono en la etapa 17-5 con el terminal resultante puede ser sometido a continuation a una etapa de procesamiento adicional para eliminar cualquier porosidad en la zona 63, para prevenir o minimizar o reducir la entrada de electrolito a los poros en la red de Pb en 63 (ya que una descarga subsiguiente de la celda causarfa entonces la formacion de PbSO4, reduciendo o eliminando la propiedad conductora de 63). La elimination o la reduction de la porosidad puede conseguirse, por ejemplo:
• comprimiendo y/o calentando la zona 63, por ejemplo, mediante calentamiento inductivo o resistivo,
• sumergiendo adicionalmente la region 63 en una solution selladora que: deja los poros rellenos con un polnriero que
no se disuelve en el electrolito, en el que dicha solucion selladora incluye por ejemplo una resina, y
• llenando algunos de los poros restantes en 63 mediante deposition de Pb en el electrodo a partir de una solucion
fuerte de iones de Pb.
Para explicar la electrodeposicion de Pb, en la Fig. 18 se ilustra una realizacion alternativa. Uno de los conectores 62 es reemplazado por un dispositivo de sujecion mecanico que comprende un conducto 67 longitudinal interno y suministrado tambien con acido sulfurico y que tiene tambien superficies 66 similares al plomo dispuestas para contactar rfsicamente con el elemento 1 de fibra de carbono en un lado en la zona 63 donde el material de pasta ya ha sido aplicado y se desea una conexion. El dispositivo puede ser sujetado a un borde del elemento de fibra de carbono o puede extenderse a traves del elemento de fibra de carbono, siempre que la zona 63 con pasta aplicada, deseada, sea capturada por las superficies 66 similares al plomo de la abrazadera. Se instala un electrodo positivo adecuado en el flujo de electrolito (recirculante) que entra y sale 67 para completar una celda y el flujo de corriente puede generar Pb dentro del espacio entre fibras dentro de la zona 63, tal como se ha llevado a cabo anteriormente con un conector 62.
La superficie 66 similar al plomo, tal como se muestra en la Figura 18, puede consistir solamente en un perfmetro similares al plomo (es decir, si no abierto) o puede ser un material similar al plomo, poroso, de manera que el electrolito que pasa a traves del conducto 67 pueda permear la fibra de carbono y la pasta.
Despues del procedimiento de formacion descrito anteriormente, a continuacion, puede pasarse una solucion de sal de plomo (por ejemplo, de PbNO3) a traves del conducto 67 de manera que los poros de plomo que estan frente al conducto se llenen con plomo. Puede inyectarse una cantidad dosificada de solucion en el conducto. A continuacion, el voltaje aplicado entre los electrodos positivo y negativo es ajustado para conseguir un nivel adecuado de manera que el plomo se deposite uniformemente en los poros de la zona de terminal. La inyeccion de la solucion de sal de plomo y el procedimiento de deposicion electroqmmica se repiten hasta que los poros esten casi llenos de plomo. Las inyecciones sucesivas seran mas pequenas y mas dirfciles de conseguir hasta que no puedan conseguirse mas inyecciones o deposiciones. Pueden usarse tambien procedimientos de colapso o de inyeccion de resina en este punto para eliminar cualquier pequena porosidad accesible restante. Esto puede llevarse a cabo tambien como una alternativa a la inmersion indicada anteriormente, pero es mas practico como una etapa subsiguiente.
En una realizacion para formar un electrodo de fibra de carbono de una baterfa o celda de Ni-Cd, el terminal puede ser
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formado con Cd y la pasta comprende Cd, tal como parrfculas de CdOH.
General
En una baterfa, rfpicamente una baterfa de plomo-acido, el electrodo o los electrodos positivos, el electrodo o los electrodos negativos, o ambos, pueden formarse con un terminal segun el procedimiento o los procedimientos de la invencion. Preferiblemente, el material colector de corriente y sus fibras son flexibles, lo que ayudara a acomodar los cambios de volumen del material activo fijado al material colector de corriente durante el ciclo de la baterfa, y las fibras de microescala pueden reforzar tambien el material activo, ayudando a reducir la rotura ("desprendimiento") del material activo del electrodo durante el uso.
En realizaciones preferidas, las fibras de electrodo son inherentemente conductoras sin necesidad de un revestimiento con un material mas conductor, tal como un metal, para aumentar la conductividad, y pueden ser fibras de carbono que, en algunas realizaciones, pueden ser tratadas para aumentar la conductividad. En otras realizaciones, las fibras de electrodo pueden ser un material menos conductor, cuyas fibras estan revestidas con un revestimiento conductor o mas conductor. En algunas realizaciones, las fibras del material colector de corriente pueden ser revestidas con Pb o un material a base de Pb. Por ejemplo, el electrodo o los electrodos negativos pueden ser revestidos con Pb y el electrodo o los electrodos positivos pueden ser revestidos con Pb y, a continuacion, PbO2 sobre el mismo.
El material colector de corriente puede ser un material tejido, un material de punto o un material no tejido, tal como un fieltro. El material puede comprender filamentos que se extienden en un plano principal del material, en el que cada filamento esta compuesto por multiples fibras, opcionalmente con hilos de conexion que se extienden transversalmente a traves de los filamentos para conectar mecanicamente los filamentos. La profundidad media del material puede ser de al menos 0,2 mirfmetros o al menos 1 mirfmetro. Al menos una mayor parte de las fibras tienen un diametro de fibra medio menor de aproximadamente 15 micrometros, mas preferiblemente menor de o igual a aproximadamente entre 6 y aproximadamente 7 micrometros.
Las superficies de fibra del material pueden ser tratadas superficialmente para mejorar la fijacion de las parrfculas basadas en Pb mediante un procesamiento para fijar parrfculas de oxido o grupos qmmicos portadores de oxfgeno a las fibras. La oxidacion anodica de una tela de fibra de carbono tratada con arco electrico puede convertirla tambien en un material hidrofilo. Esto puede ayudar a una distribucion uniforme de las parrfculas activas a traves del material y a una atraccion inicial del Pb (revestido con grupos oxidos) al carbono, mediante atracciones dipolo-dipolo.
En algunas realizaciones, el material de fibra conductor puede ser un material de fibra de carbono que ha sido tratado termicamente a una temperatura elevada, por ejemplo, comprendida en el intervalo de 1.000 a 4.000°C. En algunas realizaciones, el material de fibra conductor puede ser material de fibra de carbono que ha sido tratado mediante descarga de arco electrico. El material de fibra de carbono puede ser tratado con arco electrico introduciendo el material de fibra de carbono a una camara de reaccion bien a traves de un arco electrico en un hueco entre los electrodos, que incluyen multiples electrodos adyacentes en un lado del material, o mas alla de multiples electrodos adyacentes, de manera que exista un arco electrico entre cada uno de los electrodos y el material.
En algunas realizaciones, el material de fibra conductor puede ser fieltro u otro material de electrodo plano no tejido producido a un espesor muy bajo, tal como por ejemplo un espesor de 2,5 mm o menor dividiendo el material mas grueso en el plano. Es decir, el material puede ser cortado en su plano una o mas veces para dividir un material no tejido mas grueso en multiples laminas de longitud y anchura similares, pero reduce el espesor de la lamina inicial.
En algunas realizaciones, el material de fibra conductor puede ser un material de fibra de carbono tejido, puede ser tejido a partir de estopas de fibra de carbono que han sido “rotas por estiramiento”, es decir una estopa (haz) de un mayor numero de filamentos continuos de fibra de carbono es estirado despues de la fabricacion para romper los filamentos continuos individuales en filamentos mas cortos y para separar longitudinalmente los extremos de los filamentos en cada rotura, lo que tiene el efecto de reducir el recuento de filamentos de la estopa de fibra de carbono. La estopa con un menor recuento de filamentos resultante es trenzada (como una cuerda) para mantener la integridad de la estopa. Por ejemplo, una estopa de 50.000 filamentos continuos puede romperse por estiramiento para producir una estopa mucho mas larga compuesta por 600 filamentos individuales mas cortos que, a continuacion, se trenza, por ejemplo. En algunas realizaciones, el material de fibra conductor puede ser un material de fibra de carbono formado a partir de estopas de fibra de carbono que han sido “divididas en estopas”, es decir, separadas a partir de un haz de fibras de carbono con un recuento mayor de filamentos, en estopas mas pequenas. En algunas realizaciones, el material de fibra conductor puede ser un material de fibra de carbono formado a partir de estopas de fibra de carbono divididas a partir de un haz de fibras de carbono con un mayor recuento de filamentos en estopas mas pequenas y, a continuacion, es sometido a rotura por estiramiento para romper los filamentos continuos individuales en filamentos mas cortos y para separar longitudinalmente los extremos de los filamentos en cada rotura, reduciendo adicionalmente el recuento de filamentos de las estopas de fibra de carbono.
Parte experimental
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Ejemplo 1 - Formacion de terminales
En el trabajo experimental, se formaron terminales de Pb sobre un material de fibra de carbono generalmente mediante el procedimiento descrito anteriormente con referencia a la Figura 5.
Para obtener imagenes de Microscopio Electronico de Barrido (SEM) de las partes interiores de la region del terminal, los terminales se sumergieron en nitrogeno lfquido y se escindieron despues de la formacion. Las Figuras 6A y 6B son un conjunto de imagenes SEM de un terminal sobre un material tejido con plomo inyectado a una presion de 1.000 kPa (10 Bar). Las Figuras 7A y 7B son otro conjunto de imagenes SEM de un terminal sobre un material de fieltro con plomo inyectado una vez mas a una presion de 1.000 kPa (10 Bar). De manera similar, las Figuras 8A y 8B son un conjunto de imagenes SEM de un terminal sobre material tejido con plomo inyectado a una presion de 1.000 kPa (10 Bar) con un epoxi aplicado a la parte superior del terminal. Las Figuras 6B, 7B y 8B tienen un mayor aumento que las Figuras 6A, 7A y 8A. En todas las Figuras 6A, 6B, 7A, 7B, 8A y 8B, el material gris palido es el plomo y las fibras largas son las fibras de carbono. La penetracion de plomo mas alta del material se consiguio con un material de fieltro de carbono, que se muestra en la serie de imagenes SEM de la Figura 7 - con el plomo rodeando claramente con una presencia muy minima de huecos. La Figura 7A muestra la anchura o seccion transversal total del terminal, y la Figura 7B muestra un acercamiento (mayor aumento) de las fibras de carbono en el Pb (los orificios estan donde las fibras han sido extrafdas durante la escision del terminal).
En ciertas realizaciones, para reducir la penetracion de electrolito en los huecos en el terminal, conduciendo potencialmente a la conversion del plomo en sulfato de plomo y, de esta manera, a una perdida de conductividad, se aplico epoxi a la parte superior del terminal para ser absorbido en el terminal y prevenir la penetracion de acido. La Figura 8 muestra la region del terminal con excelente penetracion de epoxi y espacios vados mmimos.
Ejemplo 2 - Formacion de terminal
Las siguientes dos muestras de terminales se fijaron a un fieltro de carbono mediante impregnacion de borde del plomo fundido en el plano principal del fieltro, generalmente mediante el procedimiento descrito anteriormente con referencia a la Figura 15.
La primera muestra era sobre fieltro de carbono de Heilong Jiang en China con una fraccion volumetrica solida del 7,2%, un espesor de 1,5 mm y un diametro medio de las fibras de 13,9 pm y tratadas con arco tal como se ha descrito anteriormente. Este terminal comprendfa dos regiones que estaban situadas una al lado de la otra, primero, una tira de plomo en una cavidad a lo largo del borde del fieltro y, segundo, una matriz de plomo alrededor de las fibras de carbono del fieltro en su borde. Cortando la segunda area y midiendo cuidadosamente sus dimensiones y su masa, junto con la determinacion de la masa de un area medida del fieltro, puede calcularse la fraccion de espacio vado dentro de la matriz (vease mas adelante). Este espacio vado era del 22,5%. La resistividad de la matriz se determino tambien mediante una medicion de la resistencia con un medidor de resistencia sobre un volumen medido de la matriz. Esta resistividad era de 0,32 mOhm.mm, o de 0,32/0,208 = 1,54, o un 54% mayor que la del plomo puro a temperatura ambiente.
La Figura 19 es una imagen SEM de esta muestra, que muestra orificios donde las fibras han sido extrafdas durante la rotura usando condiciones criogenicas, pero: por lo demas, muestra que el plomo rodea la mayor parte de las fibras. Dos partes muestran cierta ausencia localizada de plomo, donde las fibras han sido extrafdas.
La Figura 20 es una imagen SEM de una segunda muestra de terminal producida de la misma manera, pero sobre fieltro de carbono de SGL en Alemania con una fraccion volumetrica solida del 4,6%, 2,5 mm de espesor y un diametro medio de fibra de 9,1 pm, tratada tambien con arco. Este se infiltro de manera similar a la primera muestra, proporcionando una fraccion de espacio vado mas alta del 41% y una resistividad de 0,61 mOhm.mm, o casi 3 veces la del plomo puro. La superfine de la fractura muestra grandes areas de fibras que no estan en contacto con el plomo.
Las resistencias de conexion de ambas muestras eran < 50 mOhms.
Los procedimientos de medicion usados fueron los siguientes:
Resistividad: Las tiras del conector donde el fieltro de carbono estaba rodeado de plomo, se cortaron con una guillotina, y los extremos se sujetaron con las pinzas de un medidor de resistencia. La longitud entre las pinzas y el area A transversal observada se usaron en la expresion: Resistividad = (Resistencia)(Area)/(Longitud) para calcular la resistividad.
Espacio vado: Las tiras se pesaron y la masa se dividio por el area para obtener una densidad de masa global. Se hizo lo mismo para las muestras del fieltro de carbono para obtener una densidad de carbono, y esta se resto de la primera para obtener la densidad de plomo. Dividiendo esta por la densidad de plomo puro y por el espesor del fieltro, se obtuvo la fraccion volumetrica de plomo en las tiras compuestas. De esta manera, el espacio vado se obtuvo restando la fraccion volumetrica de plomo y la fraccion volumetrica de carbono de 1,0, la fraccion volumetrica total.
Resistencia: Se usaron barras de aluminio de 8 mm, cuadradas, para los contactos en el fieltro de carbono, una a cada
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lado del fieltro, con una fuerza de contacto estandar proporcionada por las pinzas del medidor de resistencia. Dos pares de dichos contactos se distribuyeron a distancias diferenciales (de 10 a 80 mm) y se registraron 5 resistencias a diferentes distancias a lo largo de este intervalo. El grafico casi lineal de la resistencia frente a la distancia proporciono una pendiente (que proporciono la resistividad del fieltro cuando se multiplico por el area de la seccion transversal) y una interseccion, que era el doble de la resistencia de contacto/fieltro. A continuacion, se uso un conjunto de contactos en un electrodo con un conector en un extremo, una vez mas con diferentes colocaciones de los contactos a lo largo del electrodo, y la otra pinza del medidor fijada al terminal de plomo en un extremo del conector. Un grafico de resistencia frente a distancia proporciono una vez mas un grafico lineal, con una interseccion igual a la suma de una resistencia de contacto/fieltro mas la resistencia de conector de electrodo que se requiere. De esta manera, esta ultima se obtuvo restando la resistencia de contacto/fieltro.
Ejemplo 3 - Rendimiento de CCA de una celda de acido-Pb con un electrodo que comprende un terminal
Construccion de electrodos y celdas: Se estrecho un electrodo a partir de fieltro de fibra de carbono tratado con arco que tema un peso espedfico de 238 g/m2, un espesor de 2,93 mm, y una fraccion volumetrica de carbono de ~ 5,8%. Despues del tratamiento con arco, el fieltro tema un peso especfico de 204 g/m2, tema 2,5 mm de espesor y tema una fraccion volumetrica de carbono de ~ 5,7%. La seccion de fieltro de carbono tema forma rectangular y hada tenido previamente un terminal de Pb formado a lo largo de un borde mediante impregnacion de borde de plomo fundido en el plano principal del fieltro, generalmente mediante el procedimiento descrito anteriormente con referencia a la Figura 15, de manera que el material de Pb del terminal penetro completamente a traves de la zona de terminal del material de fieltro de carbono de un lado al otro.
La pasta se preparo con 19,5 g de oxido similar a plomo que tema un contenido de Pb de ~ 5,1%, 3,36 g de acido sulfurico diluido, 2,24 g de Vanisperse A como expansor y solucion de agua para conseguir el 0,10% en peso de expansor en la pasta preparada y 0,16 g de sulfato de bario. La pasta se mezclo en un bano durante 2 minutos con ultrasonidos a una frecuencia de 54 kHz.
Se aplico la pasta al electrodo con una distribucion uniforme de pasta, tambien bajo vibracion ultrasonica durante ~ 1 min, mediante una placa vibratoria ultrasonica hasta que una mayor parte de la pasta hada penetrado en el fieltro. La pasta se aplico al electrodo de manera que contacto con el Pb del terminal a lo largo de la longitud del lfmite entre el Pb del terminal y el fieltro de carbono impregnado con Pb no de terminal (no solo en la superficie a ambos lados, sino tambien a traves del espesor del material de fieltro de carbono en este lfmite). La cantidad total de masa cargada en el fieltro de carbono fue de 18,15 g, donde la capacidad conseguida (descarga de baja corriente) fue de 2,52 Ah (es decir, el 68,2%) de la capacidad teorica. El area activa del electrodo con pasta aplicada (excluyendo el terminal) tema dimensiones: longitud de 60,6 mm, anchura de 43,3 mm y espesor de 2,52 mm. Por lo tanto, la carga de plomo conseguida por volumen (densidad de plasta aplicada del electrodo en base a la masa cargada sobre el electrodo) era de aproximadamente 2,62 g/cm3. A continuacion, el electrodo se incorporo a una celda de ensayo, como se intercalo un negativo entre dos placas positivas (una a cada lado) tradicionales de tamano comparable y se sometio a carga de formacion.
Ensayos y resultados: La celda se sometio a ensayos SAE -18°C CCA (Cold Cranking Amps, amperios de arranque en frto). En particular, una baterfa de automovil deberta ser capaz de suministrar una corriente alta para el arranque del motor, a baja temperatura, y un ensayo CCA comprueba la capacidad de una baterfa para hacerlo. Las corrientes de ensayo fueron de 310 mA/cm2 de area de electrodos opuestos, respectivamente. Tras superar con exito el ensayo de 310 mA/cm2, el electrodo con pasta aplicada hasta el terminal se ensayo adicionalmente con corrientes sucesivamente mas altas, consiguiendo finalmente una calificacion de 390mA/cm2. La Figura 21 muestra el resultado del ensayo de rendimiento CCA y muestra que el electrodo tema un rendimiento CCA muy bueno.
El texto anterior describe la invencion, incluyendo sus formas preferidas, y se desea que las alteraciones y las modificaciones que resulten obvias para una persona con conocimientos en la materia esten incluidas en el alcance de la misma, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una batena o celda de plomo-acido que incluye al menos un electrodo que comprende como un colector de corriente un material de fibra conductor que tiene una separacion media entre fibras inferior a 100 micrometros, que comprende un material de terminal electricamente conductor impregnado a presion en una parte de zona de terminal del material de fibra que rodea y/o penetra en las fibras y forma una conexion electrica al material de fibra en dicha zona de terminal y proporciona un terminal para la conexion externa del elemento de electrodo, y que comprende un material activo en al menos una parte del material de fibra conductor distinto de dicha zona de terminal, y en el que una proporcion superficie a volumen de las partfculas de Pb en el material activo es al menos aproximadamente 3 veces mayor que una relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal.
  2. 2. Batena o celda de plomo-acido segun la reivindicacion 1, en la que la relacion superficie a volumen de las partfculas de Pb en el material activo es al menos aproximadamente 10 veces mayor que una relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal.
  3. 3. Batena o celda de plomo-acido segun la reivindicacion 1, en la que la relacion superficie a volumen de las partfculas de Pb en el material activo es mayor de aproximadamente 2 m2/cm3 y la relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal es menor de aproximadamente 0,5 m2/cm3.
  4. 4. Batena o celda de plomo-acido segun la reivindicacion 1, en la que la relacion superficie a volumen de las partfculas de Pb en el material activo es mayor de aproximadamente 1 m2/cm3 y la relacion superficie a volumen del material de terminal en la zona de terminal es menor de aproximadamente 0,5 m2/cm3.
  5. 5. Batena o celda de plomo-acido segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el material de terminal comprende un metal que es Pb o una aleacion de Pb, Zn o una aleacion de Zn, o Cd o una aleacion de Cd.
  6. 6. Batena o celda de plomo-acido segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el material activo contacta con el terminal donde el material de fibra entra en el terminal, y se conecta electricamente directamente al terminal.
  7. 7. Batena o celda de plomo-acido segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que la resistencia electrica de la conexion electrica entre el material de terminal y el material de fibra conductor en dicha zona de terminal es al menos un 10% menor que la resistencia del material activo cuando la batena o la celda esta cargada al 10%.
  8. 8. Un procedimiento para formar una conexion electrica a un elemento de electrodo de material de fibra electricamente conductor que tiene una separacion media entre fibras menor de aproximadamente 100 micrometres, que comprende rodear una parte de zona de terminal del material de fibra en una matriz,
    en la matriz, impregnar a presion en la parte de la zona del terminal del material de fibra un material de terminal electricamente conductor para rodear y/o penetrar las fibras del material de fibra en la parte de la zona del terminal del material de fibra para formar una conexion electrica al material de fibra en la parte de la zona de terminal del material de fibra, proporcionando de esta manera un terminal para la conexion externa del elemento de electrodo y una parte no impregnada del material de fibra para formar un area activa del elemento de electrodo.
  9. 9. Procedimiento segun la reivindicacion 8, que comprende calentar el material de terminal e impregnarlo a presion cuando esta fundido en el material de fibra.
  10. 10. Procedimiento segun la reivindicacion 9, que comprende impregnar a presion el material de terminal fundido en el material de fibra en la zona de terminal en la matriz, y permitir que el material de terminal se enfne y se solidifique alrededor de las fibras y comprende juntar las partes de matriz con el material de fibra entre las mismas, con una fuerza de cierre contra el material de fibra que resulta en una presion contra el material de fibra de menos de aproximadamente 24.000 kPa (240 Bar) donde el material de fibra es un material de fibra tejido o de punto o menos de aproximadamente 4.000 kPa (40 Bar) donde el material de fibra es un material de fibra no tejido.
  11. 11. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que el material de fibra impregnado tiene un espacio vacre < 50% despues de la impregnacion.
  12. 12. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en el que una dimension a traves de la matriz a traves de un plano principal del material de fibra es menor que una dimension transversal de la matriz en el plano del material de fibra, y dicha dimension a traves de la matriz a traves de un plano principal del material de fibra es aproximadamente igual que el espesor del material de fibra, para formar un terminal delgado de aproximadamente el mismo espesor que el material de fibra.
  13. 13. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, que incluye formar una extension de terminal mas alia de un borde del material de fibra.
  14. 14. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en el que el material de fibra es un material de fibra de carbono tejido o no tejido.
    5 15. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14, en el que el material de terminal
    comprende un metal.
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