專利名稱：集流體結(jié)構(gòu)及改進(jìn)鉛－酸蓄電池性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總起來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及鉛-酸蓄電池電極，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及大表面積電極，這種大表面積電極能以單獨(dú)或相結(jié)合的一種或多種方式改進(jìn)鉛-酸蓄電池性能，例如放電比容量、正電極活性物質(zhì)利用率以及放電/充電循環(huán)性能。
背景技術(shù)：
具有多種結(jié)構(gòu)的鉛-酸蓄電池是一種久享盛譽(yù)的用于諸如啟動(dòng)-點(diǎn)亮-點(diǎn)火裝置(SLI)、不間斷電源(UPS)和動(dòng)力的不同應(yīng)用的電源。隨著在應(yīng)用方面的不斷發(fā)展，例如在電動(dòng)車輛和混合式電動(dòng)車輛(EV和HEV)方面的應(yīng)用，通常對(duì)電池技術(shù)特別是對(duì)鉛-酸蓄電池提出具有挑戰(zhàn)性性能的要求。Pavlov總結(jié)了用于浸漬和閥控型鉛-酸蓄電池以瓦特時(shí)/千克(Wh/kg)表示的電池比能量和電池放電/充電循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)于兩種電池類型，電池比能量越高放電/充電循環(huán)次數(shù)就越低，由此電池循環(huán)壽命就低。典型的，具備40Wh/kg比能量的浸漬電池可用于大約500次放電/充電循環(huán)，而只產(chǎn)生30Wh/kg的電池可用于大約850次循環(huán)。因此，顯而易見(jiàn)需要改善鉛-酸蓄電池的比能量和循環(huán)壽命以便使其更好的適用于電力牽引應(yīng)用。
眾所周知，結(jié)合鉛集流體的重量，正極活性物質(zhì)的利用率低，特、別是在正電極上，因此限制了鉛-酸蓄電池的實(shí)際比能量。集流體的結(jié)構(gòu)在確定陽(yáng)性活性物質(zhì)(PAM)的利用率中起到重要作用。在放電期間，在正電極上，集流體的結(jié)構(gòu)必須考慮到在保持與活性材料電接觸并確保離子遷移到電活性位置時(shí)顯著體積的增加，例如，PbSO4、與PBO2的摩爾比為1.88。
在現(xiàn)有描述的技術(shù)中有很多例子通過(guò)提高涂覆到電池集流體(或極柵)上的基于鉛化合物的膏劑(活性材料)的多孔性和比表面積來(lái)提高比能輸出。例如，Stoilov等在美國(guó)專利5,332,634中陳述“有必要用多孔的活性物質(zhì)制備鉛電極，所述多孔活性物質(zhì)具有很大的活性表面積，并加強(qiáng)了活性物質(zhì)和極柵之間的點(diǎn)連接。如此一種多孔鉛電極將使電化學(xué)電池和蓄電池產(chǎn)生更多的單位重量功率，并且顯示出很低的電阻”。
關(guān)于在電池集流體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，Czerwinski和Zelazowska已經(jīng)描述了沉積到非金屬開(kāi)孔基底即網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳(RVC)上的鉛的電化學(xué)行為。這些作者通過(guò)從包含20克/升NaOH的堿性溶液電沉積10分鐘的Pb以制造負(fù)電極并且通過(guò)利用濃縮的基于硝酸鉛的溶液(Pb(NO3)2)陽(yáng)極氧化以在正電極上形成二氧化鉛(PbO2)來(lái)制備小的1平方厘米的幾何面積的集流體。產(chǎn)生的活性物質(zhì)Pb和PbO2的數(shù)量都較小，分別大約是19.3毫克和22.3毫克。因此，如果利用上述電極組裝了電池，相應(yīng)的容量會(huì)非常的小，在4.5mAh的范圍內(nèi)，滿足不了實(shí)際需要。此外，由于所推薦的活性物質(zhì)產(chǎn)生工序需要堿性和基于硝酸鹽的電解液，Czerwihski和Zelazowska描述的電池結(jié)構(gòu)在作為鉛-酸蓄電池的工作電解液的硫酸中是不可再充電的。因此，現(xiàn)有技術(shù)提出一種制造具備一次循環(huán)壽命(即使用一次)的鉛-酸蓄電池的技術(shù)。明顯的地，其沒(méi)有設(shè)想在網(wǎng)狀基底上粘附活性材料來(lái)產(chǎn)生大容量、可再充電電池。
Das與Mondal建議開(kāi)發(fā)具有沉積在輕重量的、可導(dǎo)電的諸如碳棒的基底上的活性物質(zhì)薄層的鉛-酸集流體。根本原因只是降低鉛-酸系統(tǒng)的“自重”，這樣就可以稍微增大比能量。
Snaper在美國(guó)專利6,060,198中描述了電池中用作集流體的網(wǎng)狀金屬結(jié)構(gòu)的使用，該電池中，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由多個(gè)五邊形正十二面體組成。這種現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有教導(dǎo)利用這種結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)鉛-酸蓄電池的循環(huán)壽命和性能的方法，并且沒(méi)有設(shè)想使用諸如網(wǎng)狀碳的非金屬導(dǎo)電基底來(lái)減輕電池重量。上述有關(guān)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)參都沒(méi)有考提出結(jié)合具備含膏劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以制造一種適用于多次充電/放電循環(huán)的可再充電電池的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及通過(guò)利用集流體結(jié)構(gòu)改進(jìn)鉛-酸蓄電池的性能、尤其是循環(huán)性能的方法，所述集流體結(jié)構(gòu)是基于輕重量、多孔、開(kāi)孔、高比表面積(如大于500m2/m3)、涂覆有鉛錫合金的基底。更具體地說(shuō)，它涉及沉積在輕重量、開(kāi)孔的諸如碳或鋁的基底上的鉛錫合金的使用，以便顯著提高鉛-酸蓄電池中用作陽(yáng)極和/或陰極的隨后的(subsequent)大表面積電極的循環(huán)性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)所有現(xiàn)有技術(shù)提到諸如網(wǎng)狀電極的大表面積多孔電極的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供一種用于在鉛-酸蓄電池中產(chǎn)生電能的改善的集流體結(jié)構(gòu)。該集流體由網(wǎng)狀、輕重量、可導(dǎo)電的立方體基底基體組成，其特征在于較高的比表面積(即在5×102到2×104m2/m3之間)和孔隙率(即在70％到98％之間)。多種材料可以充當(dāng)上述基底，如網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳、鋁、銅和有機(jī)導(dǎo)體、或者單獨(dú)使用或化合物。
此外，該集流體的整體部分由沉積在整個(gè)立體網(wǎng)狀基體表面和縱深的鉛錫層組成，以便盡可能均勻地覆蓋基底基體的所有系帶(ligament)。根據(jù)預(yù)期應(yīng)用和電池循環(huán)壽命，所沉積的鉛合金層的厚度可以在諸如20到2000微米之間的范圍內(nèi)。形成的由鉛合金層覆蓋的輕重量基體組成復(fù)合結(jié)構(gòu)可以用作鉛-酸蓄電池中的正和/或負(fù)集流體。本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員可以理解的是，為了獲得一種實(shí)用的鉛-酸蓄電池，可以利用任何種類的基于氧化鉛和/或硫酸鉛的膏劑對(duì)上述集流體進(jìn)行粘附處理。通過(guò)粘附集流體所形成的電極接觸到所需要濃度的硫酸并且被組合成任何類型的浸漬或閥控鉛-酸蓄電池。在化成(初始充電)之后，該膏劑被轉(zhuǎn)化成作活性材料(或活性物質(zhì))，該活性材料分別是正電極上的氧化鉛和負(fù)電極上的鉛。當(dāng)鉛-酸蓄電池放電時(shí)，正電極上的氧化鉛和負(fù)電極上的鉛就都被轉(zhuǎn)化成硫酸鉛，并且電流就通過(guò)集流體(或極柵)被傳送到耗費(fèi)源(負(fù)載)。在充電期間，通過(guò)集流體將直流電提供給硫酸鉛并重新產(chǎn)生活性材料。因此，集流體同活性物質(zhì)的相互作用對(duì)于鉛-酸蓄電池的性能至關(guān)重要。
本發(fā)明還提供制造高性能集流體的方法，所述法包括的步驟有鉛或鉛合金的沉積以及接線片，接頭和框架與立體基底附著。


圖1A是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的集流體的正面示意圖；圖1B是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的集流體的正面示意圖；圖1C是依照本發(fā)明的一可選實(shí)施例的集流體的正面示意圖；圖2是依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的大比表面積、網(wǎng)狀部分的集流體結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微圖像；圖3顯示了依照本發(fā)明通過(guò)背向散射電子顯微技術(shù)獲得的集流體結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖4比較了依照本發(fā)明制造的涂覆有純鉛和鉛錫(鉛和錫的重量比為99∶1)的集流體的初期循環(huán)性能；
圖5比較了依照本發(fā)明制造的電鍍了鉛錫的網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳的和疊箱鑄型集流體設(shè)計(jì)的正極限制的額定比容量；圖6顯示了配有依照本發(fā)明制造的電鍍了鉛錫的玻璃態(tài)碳集流體的浸漬單電池2負(fù)特電池的正極限制的循環(huán)性能。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的集流體結(jié)構(gòu)的正視圖。附圖標(biāo)記1表示的是通過(guò)在導(dǎo)電的、網(wǎng)狀基底上沉積鉛和鉛合金來(lái)制造的大比表面積部分，該網(wǎng)狀基底例如網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳，但不限于此。高比表面積部分附屬于框架2，框架2依次連接到接線片3。框架和接線片都由鉛或鉛合金制成。
在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖1B所示，通過(guò)插入屬于整個(gè)框架結(jié)構(gòu)2的長(zhǎng)條來(lái)劃分沉積有鉛或鉛錫合金的網(wǎng)狀部分1。這種劃分改進(jìn)了在集流體結(jié)構(gòu)的高比表面積部分上的電流和電位分布特性，特別是在大極板設(shè)計(jì)的情況下。
通過(guò)圖1C表示了另一種設(shè)計(jì)類型。在這種情況下，頂部連接器3具有三角形設(shè)計(jì)，逐漸向集流體安置接線片4的邊緣變寬。這種設(shè)計(jì)特點(diǎn)結(jié)合了連接器重量降低和在電流密度最高區(qū)域內(nèi)高耐腐蝕性的需要，即在電流入口和出口區(qū)4。在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)周圍的框架2可以為相近或不同的寬度。一種可能是在接觸接線片的一面使用較寬的框架而在另一面使用較窄的框架(圖1C)。
圖2顯示了集流體的網(wǎng)狀部分的掃描電子顯微圖像。在該具體實(shí)施例中，具有每英寸(ppi)30個(gè)孔的網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳(ERG Materials and Aerospace Corporation，Oakland，CA，USA)充當(dāng)基底并且它被鍍上鉛合金以便為鉛-酸蓄電池提供一種實(shí)用集流體。圖2顯示了互連、開(kāi)口(open cell)的網(wǎng)絡(luò)，它形成了用于向活性物質(zhì)和從活性物質(zhì)進(jìn)行電流傳送的物理基礎(chǔ)。該活性物質(zhì)(The later)覆蓋導(dǎo)線的表面并且還添入網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的開(kāi)口。集流體導(dǎo)線對(duì)活性物質(zhì)的接近(proximity)(例如圖2所述的情況開(kāi)口的直徑大約是2毫米)導(dǎo)致活性物質(zhì)利用率和充電接受性能(acceptance)的增大。
通過(guò)以下實(shí)施例描述本發(fā)明。
實(shí)施例1網(wǎng)狀集流體的制造在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，具有每英寸20和30個(gè)孔(分別約是8和12個(gè)孔隙每厘米)的網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳極板被用作用于極柵制造的基底。用鋼切刀將具有15.2厘米×15.2厘米×12.8毫米(高×寬×厚)尺寸的RVC板切割成大約3.5毫米優(yōu)選厚度。在切割之后，碳板的高和寬調(diào)整為特有電池需要的尺寸。一種普遍應(yīng)用的集流體尺寸是12.7厘米×12.7厘米(高×寬)。
尺寸調(diào)整后，玻璃態(tài)碳基底被均勻的涂覆上鉛錫合金層。各種方法可以用于在基于碳的基底上的鉛錫合金沉積，例如電鍍和真空沉積。在本發(fā)明中，選用電鍍(或電沉積)來(lái)在RVC基底上進(jìn)行鉛合金涂覆。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，其他方法也可以用于為RVC涂覆鉛錫合金。
在采用電鍍方法的情況下，為了在電鍍期間將電流供給到玻璃態(tài)碳結(jié)構(gòu)，2.5毫米厚度的連接器和6厘米×1.3厘米(高×寬)的接線片被附著到網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳板上，它們都由99.8％重量比純度的鉛制成。通過(guò)利用鋁模具將碳棒的頂部浸漬在370℃的熔融的鉛中，然后通過(guò)空氣噴射快速冷卻來(lái)完成。
為了將鉛電鍍到網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳上，提供了幾個(gè)鉛電鍍液成分，例如氟硼酸鹽、氨基磺酸鹽和氟硅酸鹽。在本實(shí)施例中采用了氟硼酸鹽液。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，可以考慮其它電鍍液形式。對(duì)于涂覆在RVC基底的純鉛的電鍍，每升儲(chǔ)液的氟硼酸鹽液由500毫升50％重量比的四氟硼酸鉛(Pb(BF4)2)、410毫升的去離子水、27克的硼酸(H3BO3)、90毫升的氟硼酸(HBF4)和3克的蛋白胨。在制備期間，在室溫下充分混合鍍液。
為了將鉛錫合金電鍍到RVC基底上，通過(guò)增加不同濃度的四氟硼酸錫來(lái)改變上述鉛電鍍液成分。鍍液中錫的濃度在很大程度上決定了鉛合金的錫含量。典型使用的鋁錫合金電鍍液每升儲(chǔ)液具有以下的成分74至120毫升之間的50％重量比的四氟硼酸錫(Sn(BF4)2)溶液、510毫升50％重量比的四氟硼酸鉛(Pb(BF4)2)溶液、330至376毫升之間的去離子水、27克的硼酸(H3BO3)、40毫升的氟硼酸(HBF4)和1克的明膠。在電鍍期間，通過(guò)采用消耗鉛錫陽(yáng)極或者通過(guò)以一定的時(shí)間間隔來(lái)添加新的四氟硼酸錫溶液，使鍍液的錫含量保持不變。
將RVC極板放置到電鍍液并充當(dāng)陰極，同時(shí)，兩個(gè)3.2毫米厚度的80/20(鉛對(duì)錫的重量比)鉛錫極板(Metal Distributors Inc.，Vancouver，BC，Canada)充當(dāng)夾住RVC陰極的消耗性陽(yáng)極。RVC陰極和鉛錫陽(yáng)極之間的距離是3.8厘米。陰極和陽(yáng)極具有相近的幾何面積。在電鍍液的浸漬之后，電極被連接到直流電源，該直流電源的特征在于最高輸出電壓和電流分別是25負(fù)特和100安培。在RVC上的鉛或者鉛錫電鍍的典型電鍍條件如下電流密度為570A/m2、電池電壓為0.3到0.7伏特、溫度為20到25℃。通過(guò)改變鍍層時(shí)間(典型的在1至2小時(shí)之間)來(lái)調(diào)整涂層厚度。所需的鉛或鉛合金涂層厚度是所需電池類型、應(yīng)用和電極極性的函數(shù)。對(duì)于浸漬型鉛-酸蓄電池，制造具有30-50微米厚度的涂層的負(fù)集流體，同時(shí)正集流體上的涂層具有200-500微米的厚度。通過(guò)在負(fù)極和正極上采用不同的涂層厚度，就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)重量降低和長(zhǎng)循環(huán)壽命的目的。圖3顯示了已鍍層的網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳的橫截面的反向散射電子顯微圖像。已鍍層的網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳具有235微米厚度的鉛錫涂層，即正集流體。
在完成電鍍之后，按以下順序?qū)σ彦儗拥腞VC進(jìn)行連續(xù)地清洗工序蒸餾水清洗、堿洗滌(0.1M NaOH)、蒸餾水洗滌、丙酮洗滌以及丙酮浸漬。完成最后一次洗滌步驟后在氮?dú)庵羞M(jìn)行干燥。在最小化表面氧化的同時(shí)，上述程序可以確保從大表面積集流體徹底清除電鍍液成分。在鉛合金沉積的情況下，集流體的典型錫含量在0.5-2％重量比的錫之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，通過(guò)調(diào)整電鍍時(shí)間、電流密度和/或鍍液成分可以容易地達(dá)到其它的涂層錫含量。
在電鍍、洗滌和干燥步驟后，通過(guò)利用寬頭連接元件來(lái)代替在電鍍期間充當(dāng)電流輸送器的接頭和接線片以此進(jìn)一步對(duì)集流體進(jìn)行處理，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的具有圖1C所示的三角形該寬頭連接元件。另外，三個(gè)框架也被附著到已電鍍的RVC板的側(cè)面。附著新連接器和框架的處理與上述附著電鍍連接器的處理相同。用作電池極柵接頭和框架的材料是包含2％重量比的錫的鉛合金。
實(shí)施例2涂層成分對(duì)電池循環(huán)性能的影響為了比較純鉛和鉛錫合金網(wǎng)狀集流體的性能，組裝了兩個(gè)浸漬型、單電池、2伏特的電池，裝備著分別使用涂覆著純鉛和鉛錫合金(1％重量比的錫)的集流體的已涂膏劑的極板。依照實(shí)施例1描述的工序來(lái)制造涂覆有純鉛和鉛錫的集流體。下表總結(jié)了鍍層配方和鍍層條件。
表1電鍍條件

各個(gè)電池由兩個(gè)負(fù)性和一個(gè)正性的網(wǎng)狀集流體組成，該集流體涂覆上直接從電池廠商獲得的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的由硫酸鉛、氧化鉛和二氧化鉛組成的鉛-酸蓄電池膏劑。利用相應(yīng)的電池極板(即已固化的涂有膏劑的集流體)來(lái)組裝兩個(gè)單電池電池。首先，通過(guò)施加恒定的恒流充電從而在稀硫酸中化成第一電池極板以便提供72小時(shí)的520Ah/kgdrv_paste充電。該化成步驟是產(chǎn)生極板上的活性材料即負(fù)電極板上的Pb和正電極板上的PbO2所必需的。
測(cè)試規(guī)程由利用1.5伏特的截止電壓以5小時(shí)的放電倍率進(jìn)行連續(xù)的日常循環(huán)，接著使用具備1.26初始比重的硫酸在2.35伏特/電池的浮動(dòng)電壓下進(jìn)行19小時(shí)的再充電而組成。上述規(guī)程與備用電池的深度(deep)循環(huán)有關(guān)并且考慮了后面的電池類型的循環(huán)極端情況。圖4顯示了兩個(gè)電池的比較循環(huán)特性。在第一個(gè)4天的循環(huán)之后，鍍有純鉛膏劑的RVC電池的比容量降低，即電鍍了鉛錫合金的RVC電池的比容量是鍍有純鉛的RVC電池的比容量的2.6倍。
圖4呈現(xiàn)的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了作為合金元素的錫用于在循環(huán)的初始階段穩(wěn)定深度循環(huán)鉛-酸的容量的有益效果。
實(shí)施例3使用疊箱鑄型的(book-mould)極柵和電鍍的網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳集流體的電池之間的性能比較圖5顯示了在分別裝有疊箱鑄型的(book-mould)和電鍍有鉛錫(1％重量比的錫)的RVC集流體的兩種浸漬單電池2伏特電池的情況下用于表示正極限制性能的可比較得額定容量的peukert圖。兩種電池類型都在相同的條件下進(jìn)行涂膏、組裝和化成。按照實(shí)施例1和實(shí)施例2中描述的方法制備電鍍有鉛錫的網(wǎng)狀極柵。對(duì)于正極限制電鍍的RVC集流體電池和疊箱鑄型的(book-mould)極柵電池，所采用的放電電流對(duì)應(yīng)于放電倍率分別是24到2小時(shí)和12到2小時(shí)之間(圖5)。將兩電池在27.5A/kgPAM的電流下放電，用電鍍的RVC集流體的正電極板的比放電容量是105.7Ah/kgPAM(47.2％的利用率)，而在疊箱鑄型的(book-mould)集流體的情況下僅獲得了59.3Ah/kgPAM，顯示了正活性物質(zhì)較低的利用率，即26.2％(圖5)。因此，具有電鍍的網(wǎng)狀集流體的正極板的比容量比使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)疊箱鑄型的(book-mould)極柵的極板的容量高78％。
在6A/kgPAM的放電電流下，電鍍的RVC正極板的比容量比疊箱鑄型(book-mould)級(jí)柵的情況高66％。正性活性物質(zhì)利用率和正極限制的比容量的改善與電池的比能量的提高有直接關(guān)系。根據(jù)所呈現(xiàn)的結(jié)果，在20小時(shí)的放電倍率下，裝有電鍍的RVC集流體的浸漬型鉛-酸蓄電池的比能量是62.7Wh/kg。在同樣條件下，裝有疊箱鑄型的(book-mould)集流體的電池僅可以提供39.1Wh/kg。這清楚地顯示了通過(guò)在鉛-酸蓄電池中采用電鍍有鉛錫的RVC集流體所獲得的顯著的性能改善。
實(shí)施例4裝有電鍍的RVC的集流體的浸漬鉛-酸蓄電池的循環(huán)壽命由一個(gè)正性和兩個(gè)負(fù)性已粘附膏劑的電鍍有鉛錫的RVC電極組成的測(cè)試電池經(jīng)受了長(zhǎng)周期循環(huán)。通過(guò)實(shí)施例1和實(shí)施例2中描述的方法制備電極。各個(gè)循環(huán)由在63A/kgPAM下的放電(額定利用率21％和0.75小時(shí)倍率)之后兩階段分別在35A/kgPAM和9.5A/kgPAM下的恒定電流以2.6V為截止電壓的充電組成。返回的充電是先前放電的105-115％。
圖6顯示了在上述條件下的電池的循環(huán)性能。利用循環(huán)10次的比容量作為參考，電鍍有鉛錫(1％重量比的錫)的RVC電池完成了706次以上循環(huán)或達(dá)到了參照比容量的80％，相當(dāng)于超過(guò)2100小時(shí)的連續(xù)工作。因此，上述實(shí)驗(yàn)顯示出，電鍍有鉛錫的RVC電極能夠提供較長(zhǎng)的電池循環(huán)壽命。
實(shí)施例5裝有涂以多種組分的鉛錫合金的網(wǎng)狀鋁集流體的2伏特電池的比較試驗(yàn)在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，諸如具有20個(gè)孔每英寸的鋁的金屬網(wǎng)狀泡沫物被用作極柵制造的基底。網(wǎng)狀泡沫鋁的尺寸為12.2厘米×15.2厘米×5.9厘米(高×寬×厚)，利用實(shí)施例1中描述的方法將其均勻地涂覆一層鉛錫合金。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，也可以采用其它的鉛涂覆方法來(lái)制造沉積了鉛的網(wǎng)狀鋁集流體。將兩個(gè)電鍍有鉛的負(fù)性和正性鋁集流體涂膏并組裝以形成單電池浸漬2伏特電池。為了用于比較試驗(yàn)，組裝并以同樣樣式形成另一個(gè)單電池浸漬電池，但該電池裝有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)疊箱鑄型的(book-mould)集流體。表2比較了在20小時(shí)放電速倍率下的放電電流、正極限制的比容量和正性活性物質(zhì)(PAM利用率)的利用率。
表2浸漬單電池2伏特電池中疊箱鑄型的(book-mould)和已電鍍的鋁集流體之間的對(duì)比。
疊箱鑄型的電鍍有鉛錫的集流體 網(wǎng)狀鋁放電時(shí)間(h) 2020放電電流(A/KgPAM) 2.7 5.8放電容量(A/KgPAM) 55.1 116.1PAM利用率24.6 51.8電鍍有鉛的網(wǎng)狀鋁電極的PAM利用率和放電容量比疊箱鑄型的(book-mould)電極高出42％。這個(gè)實(shí)施例顯示出高比表面積網(wǎng)狀金屬也可以充當(dāng)用于沉積以鉛或鉛錫合金的電池集流體的基底。
實(shí)施例6單層或多層開(kāi)孔基底除作為開(kāi)孔多層基底的網(wǎng)狀基底外，可以考慮下列非限定附加類型的基底。例如，可以考慮涂覆有鉛或鉛錫合金的單層或多層極柵網(wǎng)。這兩種基底差異在于連接孔的支柱(struct)的數(shù)量，例如，在網(wǎng)狀基底中典型的有三個(gè)支柱連接點(diǎn)而在極柵網(wǎng)中典型的有四個(gè)支柱連接點(diǎn)。然而，對(duì)于其它幾何結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以預(yù)料其它的支柱連接點(diǎn)數(shù)量。
權(quán)利要求
1.一種用于電池中的電極，所述電極包括導(dǎo)電基底以及涂覆到所述表面的包含鉛錫的合金層，所述導(dǎo)電基底包含由表面為界的開(kāi)孔。
2.權(quán)利要求1所述的電極，其中，所述層通過(guò)電鍍施加。
3.權(quán)利要求1所述的電極，其中，所述層通過(guò)汽相沉積施加。
4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的電極，其中，所述基底包含碳。
5.權(quán)利要求4所述的電極，其中，所述碳是形成所述孔的網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳。
6.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的電極，其中，所述基底包含鋁。
7.權(quán)利要求1所述的電極，其中，所述基底是形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電金屬。
8.權(quán)利要求7所述的電極，其中，所述導(dǎo)電金屬包含鋁。
9.權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的電極，其中，所述電極包括在電池內(nèi)裝配及形成功能電極的結(jié)構(gòu)。
10.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的電極，其中，所述合金的錫含量在所述合金中所占重量比在大約0.2％到大約3％之間。
11.權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的電極，其中，所述合金的錫含量在所述合金中所占重量比在大約0.5％到大約2％之間。
12.權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)所述的電極，其中，所述基底中每立方米的基底孔的表面積大約在500至20,000平方米之間。
13.權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的電極，其中，所述合金的厚度尺寸在大約20至2000微米之間。
14.權(quán)利要求5所述的電極，其中，所述玻璃態(tài)碳每英寸測(cè)量長(zhǎng)度包含大約20到30個(gè)孔隙。
15.權(quán)利要求1-14任一項(xiàng)所述的電極，其中，至少部分所述表面被涂覆上含鉛的導(dǎo)電膏劑，由此形成鉛-酸蓄電池極板。
16.權(quán)利要求1-15任一項(xiàng)所述的電極，其中，所述膏劑包括硫酸鉛、氧化鉛或它們的混合物。
17.一種用在鉛-酸蓄電池中的電極，包括形成為具有足夠表面積的孔的剛性網(wǎng)狀碳結(jié)構(gòu)的基底，沉積在所述結(jié)構(gòu)上的可導(dǎo)電地緊密接觸著所述孔隙表面的鉛錫合金層，以及在所述合金層上含鉛的膏劑層；所述基底是可導(dǎo)電的。
18.權(quán)利要求17所述的電極，其中，所述基底包含鋁或玻璃態(tài)碳。
19.權(quán)利要求17或18所述的電極，其中，所述鉛錫合金是電鍍或汽相沉積的沉積產(chǎn)物。
20.在組合體中電池室；權(quán)利要求1-19任一項(xiàng)所述一對(duì)隔開(kāi)一定距離的電極；接觸所述電極并橋接它們之間間隙的電解質(zhì)；以及用于將所述電極連接成電路的終端連接器。
21.一種制造權(quán)利要求1-19任一項(xiàng)所述電極的方法，所述方法包括(a)調(diào)節(jié)所述基底至所需增量；(b)用鉛錫合金均勻涂布所述基底；(c)洗滌所述涂布的基底；(d)干燥所述涂布的基底。
22.權(quán)利要求21所述制造電極的方法，其中，加工步驟(b)中的鉛錫合金涂層通過(guò)電鍍施加到所述基底上。
23.權(quán)利要求21或22所述制造電極的方法，其中，加工步驟(b)中的電鍍?nèi)芤喊韵挛镔|(zhì)(Sn(BF4)2)、(Pb(BF4)2)、去離子水、(H3BO3)、(HBF4)和明膠。
24.權(quán)利要求21-23任一項(xiàng)所述制造電極的方法，其中，加工步驟(b)中的電鍍?cè)?.3-0.7V的電池電壓以及20-25℃的溫度下進(jìn)行。
25.權(quán)利要求21-24任一項(xiàng)所述制造電極的方法，其中，加工步驟(c)中的洗滌通過(guò)用蒸餾水清洗、堿性溶液洗滌、蒸餾水洗滌、丙酮洗滌和浸漬丙酮來(lái)進(jìn)行。
26.權(quán)利要求21-25任一項(xiàng)所述制造電極的方法，其中，加工步驟(d)中的干燥在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行。
全文摘要
一種電池、電池電極結(jié)構(gòu)以及制造它們的方法。本產(chǎn)品和方法包括將包含鉛錫的合金層涂覆到用于鉛－酸蓄電池的陽(yáng)極或陰極的基底，其中，基底為多孔或網(wǎng)狀。
文檔編號(hào)H01M4/56GK1613159SQ02823424
公開(kāi)日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2002年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月26日
發(fā)明者埃羅德·杰安杰, 喬伊·軍, 艾爾文·A·斯奈普 申請(qǐng)人:埃羅德·杰安杰, 喬伊·軍, 艾爾文·A·斯奈普