專利名稱：在正極與載流帶之間具有抗振連接的電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及電池，且特別涉及鉛酸電池。
背景技術(shù)：
典型的電池包括一個(gè)或多個(gè)在電池內(nèi)部電連接、并向電池提供電力的電化學(xué)電池單元。這些電池單元一般包括四種基本組件在電池單元進(jìn)行放電時(shí)接收來(lái)自外部電路的電子的正極(充電時(shí)的陽(yáng)極和放電時(shí)的陰極)；在電池單元進(jìn)行放電時(shí)向外部電路釋放電子的負(fù)極(充電時(shí)的陰極和放電時(shí)的陽(yáng)極)；提供一種機(jī)制使電荷在正極和負(fù)極間流動(dòng)的電解質(zhì)(通常存在于溶液或糊狀物中)；以及使正極和負(fù)極電絕緣的一個(gè)或多個(gè)隔板。由于這些組件之間的電化學(xué)關(guān)系使得這種構(gòu)造能使電池單元產(chǎn)生電能。一旦產(chǎn)生電流，電流就從正極板通過(guò)電流載體流動(dòng)到端子，從端子處傳送到外部電路，然后通過(guò)與負(fù)極板連接的端子回到電池(一般通過(guò)另一個(gè)電流載體)。
在需要可再充電的性質(zhì)時(shí)，鉛酸電池受到歡迎。由于對(duì)濫用具有高的耐受性和相對(duì)低的制造成本，尤其是當(dāng)電池重量不是主要考慮因素時(shí)，這種電池對(duì)于要求可再充電的應(yīng)用是特別理想的。由此，鉛酸電池經(jīng)常被用于為汽車和其他車輛提供動(dòng)力，因?yàn)檫@些外界環(huán)境會(huì)很惡劣并會(huì)出現(xiàn)各式各樣的濫用。鉛酸電池也經(jīng)常被用在當(dāng)電力網(wǎng)不能使用時(shí)而提供動(dòng)力的備用系統(tǒng)中。
大多數(shù)鉛酸電池主要利用相同的基礎(chǔ)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，且一般使用相同的活性材料。電化學(xué)反應(yīng)如下所示陰極陽(yáng)極在陽(yáng)極，金屬鉛與硫酸根離子(SO4-2)發(fā)應(yīng)生成硫酸鉛(PbSO4)。在陰極，氧化鉛(PbO2)與硫酸根離子(SO4-2)反應(yīng)也生成硫酸鉛。電子由陽(yáng)極提供，流經(jīng)外部電路由陰極接收。
在實(shí)踐中，典型的鉛酸電池包括多層疊置的陽(yáng)極層和陰極層。通常，其設(shè)置為以下兩種結(jié)構(gòu)中的一種疊層板或者螺旋卷繞的長(zhǎng)條帶。在任一情況中，陽(yáng)極層和陰極層之間都通過(guò)隔板層相互隔離，隔板層由電絕緣材料(典型的有玻璃纖維墊料等)制成。稀釋的硫酸溶液通常被用做電解質(zhì)來(lái)提供硫酸根離子。
鉛酸電池的疊層板樣式一般包括在通過(guò)隔板層分隔的疊層中交替順序排列的多個(gè)陽(yáng)極和陰極。換句話說(shuō)，典型的布置包括一個(gè)陰極板，一個(gè)隔板，一個(gè)陽(yáng)極板，另一個(gè)隔板，第二陰極板，依此類推。一些鉛酸電池單元包括29個(gè)以這種方式疊置的陰極板和陽(yáng)極板。
為了利用由電極板上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電能，陰極板之間相互并聯(lián)，陽(yáng)極板之間也相互并聯(lián)。一種連接極板的普遍技術(shù)是在每個(gè)極板的一個(gè)邊緣設(shè)置突出突舌。突舌設(shè)置在每個(gè)陰極板的相同的位置上，使得在極板被疊置時(shí)突舌之間能夠?qū)R。突舌被連接到導(dǎo)電連接帶上，即被依次地連接至電池端子。類似的對(duì)齊的突舌從陽(yáng)極板上突出并且通過(guò)一個(gè)連接帶連接，但這些突舌被設(shè)置在陽(yáng)極板不同的位置上以避免與陽(yáng)極連接帶相互干擾。例如，在McClelland等的美國(guó)專利No.4383011中描述了對(duì)這種構(gòu)造的一個(gè)實(shí)例。
具有這種設(shè)計(jì)的鉛酸電池在使用中會(huì)遇到抗振性和耐用性方面的問(wèn)題。如上所述，由于鉛酸電池一般很結(jié)實(shí)，常被用在惡劣的環(huán)境中。因此，它們要受到嚴(yán)格的測(cè)試，尤其是對(duì)沖擊、撞擊、碰撞和振動(dòng)的抵抗性(作為一個(gè)典型的測(cè)試，參見(jiàn)VG96924-2，BS6290第4部分，IEC)。在一些情況下，斷裂發(fā)生在正極板的突舌和連接帶之間的連接處。正極板的這個(gè)區(qū)域會(huì)由于在突舌表面發(fā)生的用來(lái)保護(hù)下面大塊的金屬鉛(Pb)的氧化反應(yīng)(即形成PbO2)而變脆。PbO2層相對(duì)較脆，在振動(dòng)測(cè)試期間施加的剪切力作用下會(huì)開(kāi)裂。然后這些裂縫會(huì)使下面的金屬鉛暴露出來(lái)，并隨之被氧化。這種在開(kāi)裂后產(chǎn)生氧化的模式不斷重復(fù)直到突舌從極板上完全斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于電池單元和電池及其制造方法，在電池受到振動(dòng)檢驗(yàn)和其他嚴(yán)格的力學(xué)檢測(cè)時(shí)，有助于在正極板突舌和連接帶之間連接處的抗斷裂性。作為本發(fā)明的第一方面，制造電池的方法包括一個(gè)為電池提供電池單元的起始步驟，其具有交替的正極板和負(fù)極板，其中每個(gè)極板間被絕緣的隔板層分開(kāi)，正極板和負(fù)極板相互疊置。每個(gè)正極板都包括從相鄰正極板上部突出的突舌，正極板的突舌之間通常對(duì)齊。每一個(gè)負(fù)極板都包括突出突舌，負(fù)極板的突舌之間通常對(duì)齊。接下來(lái)，該方法包括將導(dǎo)電連接帶附接到正極板的突出突舌上。然后該方法包括將覆蓋材料施加到正極板突出突舌部分和正極板相鄰的上部(例如通過(guò)在正極連接帶上傾倒粘合劑材料，使其分散開(kāi)并滴到正極板，以及通常負(fù)極板的突舌和上部和隔板上)，使覆蓋材料硬化來(lái)提供一個(gè)附接在正極板和負(fù)極板的突出突舌和相鄰上部上的覆蓋層。這種方法能夠提供一種電池單元，其中正極板突舌與連接帶之間的連接處被硬化和/或防止發(fā)生氧化，由此改善力學(xué)測(cè)試中的性能。
另一方面，本發(fā)明的目的在于一種電池，其包括外殼；多個(gè)交替的正極板和負(fù)極板；兩個(gè)導(dǎo)電連接帶；和一個(gè)覆蓋層。每個(gè)正極板和負(fù)極板之間被電絕緣隔板層隔開(kāi)，疊置后置于外殼內(nèi)。每個(gè)正極板具有從該正極板的相鄰上部延伸出來(lái)的突出突舌，正極板的突舌大體對(duì)齊，每個(gè)負(fù)極板具有突出突舌，負(fù)極板的突舌大體對(duì)齊。一個(gè)導(dǎo)電連接帶與正極板的突出突舌相附接，另一個(gè)導(dǎo)電連接帶與負(fù)極板的突出突舌相附接。覆蓋層(例如由粘合劑材料制成)覆蓋正極板突出突舌部分和正極板的相鄰上部(并且，一般也覆蓋負(fù)極板和隔板)。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明的電池單元的正極板和負(fù)極板以及隔板的疊層的透視圖；圖1B是圖1A所示電池單元的分解透視圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的為形成連接帶而被浸入熔融材料中的圖1A所示電池單元的示意圖；圖2B是圖2A所示電池單元沿線2B-2B方向的剖面圖；圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的將圖2A和圖2B所示電池單元插入電池外殼中的側(cè)視示意圖；
圖4是本發(fā)明的包括多個(gè)圖2A和2B所示電池單元的電池的側(cè)視示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的如圖4所示電池的每個(gè)電池單元接收覆蓋層材料的透視示意圖；圖6是具有完整的覆蓋層的如圖5所示電池的透視圖；和圖7是示出了覆蓋層的圖6所示電池的側(cè)視示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，其中附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以很多不同的形式實(shí)施，而不僅僅限于其中給出的實(shí)施例；而且，提供這些實(shí)施例的目的是使本發(fā)明充分、完全的公開(kāi)，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠完全理解本發(fā)明的范圍。
在附圖中，為了清楚起見(jiàn)，線、層和區(qū)域的厚度可能被放大。可以理解的是，若元件，例如層、區(qū)域、基片或者面板，被稱為是在另一個(gè)元件“上”，那么它可能是直接設(shè)在另一個(gè)元件上或者也可能存在插入元件。相反的，若一個(gè)元件被稱為是“直接”設(shè)置在另一元件“上”，則不存在插入元件。同樣可以理解的是，若一個(gè)元件是“連接”或“附接”在另一元件上，那么它可能是直接連接或附接在另一元件上，或者也可能存在中間元件。相反的，若一個(gè)元件是“直接連接”或“直接附接”在另一元件上，則不存在中間元件。表示方向的術(shù)語(yǔ)“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等等在這里僅僅是為了說(shuō)明的目的而使用。
現(xiàn)參照附圖，一個(gè)電池單元，由附圖標(biāo)記10表示，如圖1A和圖1B中所示。電池單元10包括以交替、堆疊、疊加方式布置的多個(gè)基本為平面的正極板12和多個(gè)基本為平面的負(fù)極板14，每一對(duì)相鄰的正極板和負(fù)極板之間被隔板16分開(kāi)。正極板和負(fù)極板12、14以及隔板16可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任何適用于電池單元或電池的材料。在鉛酸電池中，正極板和負(fù)極板12、14由基于鉛的材料制成(這里，所述的“基于鉛的”材料包括至少99％的鉛)。隔板16一般由玻璃微纖維或合成玻璃微纖維制成。正極板和負(fù)極板12、14以及隔板16的尺寸和厚度是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，在此無(wú)需進(jìn)行說(shuō)明。
仍然參照?qǐng)D1，每個(gè)正極板12包括從正極板12的上邊緣向上延伸的突出突舌12a。突舌12a從在每一個(gè)正極板12上的基本相同的位置延伸出來(lái)，以使得在正極板被堆疊時(shí)突舌12a基本對(duì)齊。突舌12a有助于所有平行的正極板之間的電連接。類似的，每個(gè)負(fù)極板14包括從負(fù)極板14的上邊緣向上延伸的突出突舌14a，且由于突舌14a位于每個(gè)負(fù)極板14上的基本相同的位置并基本對(duì)齊，這有助于平行的負(fù)極板14之間的電連接。突舌12a、14a的具體結(jié)構(gòu)可以變化，但是所選擇的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)從相應(yīng)極板的邊緣充分延伸以使其能夠進(jìn)行電連接。
通過(guò)利用連接到突舌12a的正極連接帶18，以及連接到突舌14a的負(fù)極連接帶22說(shuō)明性地和典型地實(shí)現(xiàn)正極板12和負(fù)極板14之間的相互連接(參見(jiàn)圖3-6)。例如，連接帶18、22可以通過(guò)倒置電池10，將突舌12a和14a浸入模具26的凹井28、30中得到，這時(shí)在凹井28、30中包含熔融材料29、32例如鉛(見(jiàn)附圖2A和2B)。突舌12a、14a留在凹井28、30中直到熔融材料29、32冷卻。然后附接有連接帶18、22的電池單元10從模具26中被提起。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到將連接帶18、22附接到突舌12a、14a上的其他技術(shù)，例如手工熱焊或者其他任何機(jī)械連接方法，也都可以分別地應(yīng)用到本發(fā)明中。
在連接帶18、22已經(jīng)被設(shè)置在電池單元10上以后，電池單元10可以接著與其他電池單元10一起放置在多電池單元的電池50中(見(jiàn)附圖3和4)。電池50包括多個(gè)電池單元10(一般這些電池具有相似尺寸的電池單元)和一個(gè)隔間式外殼52，外殼的每一個(gè)隔間54包括一個(gè)插入其中的電池單元。電池單元10以如下方式放置一個(gè)電池單元的正端子20與另一個(gè)電池單元10的負(fù)端子24相鄰。
現(xiàn)參見(jiàn)附圖5，在電池單元10被插入外殼52后，覆蓋層材料42(一般為粘合劑)被施加到每個(gè)電池單元10的正極連接帶18上(負(fù)極板14一般不發(fā)生氧化，前述的變脆和開(kāi)裂不會(huì)在其上發(fā)生)。例如，可以通過(guò)分送器40將覆蓋層材料42沉積到正極連接帶的上表面18a上。覆蓋層材料在上表面18a上分散開(kāi)，向下滴入正極連接帶18的側(cè)面18b以覆蓋突舌12a的暴露部分和相鄰的正極板12、負(fù)極板14和隔板16的上部12e、14e、1 6e(見(jiàn)附圖7)。覆蓋層材料42一般滲入正極板和負(fù)極板12、14與隔板16之間的空隙，從正極板12、負(fù)極板14和隔板16的上部12e、14e、16e滲入0.5cm到1.0cm(尺寸可以根據(jù)電池的類型/尺寸而變化)，但是覆蓋層材料42可以根據(jù)需要滲入更多或更少。然后覆蓋層材料42硬化，形成覆蓋層44。
在一些實(shí)施例中，覆蓋層44可以使正極連接帶18與正極板、負(fù)極板12、14和隔板16的上邊緣成為一體，由此提供一種可改善電池單元10的結(jié)構(gòu)整體性和抗振性的堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)。在一些其他的實(shí)施例中，覆蓋層44還可以涂覆正極板12的突舌12a，并提供抗突舌氧化的保護(hù)層。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，覆蓋層44可以提供結(jié)構(gòu)整體性、抗振性和抗氧化保護(hù)。
覆蓋層44可以由任何能夠提供前述的堅(jiān)硬度和/或保護(hù)性能的材料制成。典型的覆蓋層材料包括粘合劑，例如環(huán)氧類、活性丙烯酸類或連接化合物。在一些實(shí)施例中，覆蓋層44可以由具有一定粘度(一般在25℃下具有19厘泊的粘度)的物質(zhì)制成，以使其能夠如所述的那樣施加到正極連接帶18上，并從那里分散到正極板12、負(fù)極板14的上部12e、14e上以及突舌12a、14a部分上。覆蓋層材料也可以是耐酸的(尤其是硫酸，因?yàn)槠浣?jīng)常用在鉛酸電池的電解質(zhì)溶液中)和耐80℃高溫的，能夠經(jīng)受住電池的內(nèi)部環(huán)境。進(jìn)一步地，為避免電池內(nèi)部產(chǎn)生壓力，覆蓋層材料不能是會(huì)放出大量氣體的材料，應(yīng)當(dāng)至少粘附于正極板12上。一種典型的覆蓋層材料是S-2470-E環(huán)氧，可以從英國(guó)Structural Adhesives Ltd，Bushby Brooks Works，16 SpenceStreet，Leicester.LE5 3NW購(gòu)買。
本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識(shí)到其他可將覆蓋層44施加到正極連接帶18上和正極板12的上部12e上的技術(shù)都可以使用。例如，覆蓋層44可以通過(guò)噴涂或者直接注入材料的方式施加到正極板12的上部12e和突舌12a上。另一個(gè)例子，覆蓋層44也可以在模具定位在正極連接帶18的周圍時(shí)施加，以使覆蓋層材料42流動(dòng)填充模具并形成預(yù)定的形狀。
在施加覆蓋層44以后，相鄰電池單元10的正極和負(fù)極端子20、24被電連接。然后電池50被封蓋起來(lái)并填充電解質(zhì)溶液。填充后的電池在使用前被排氣并被封住。
本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識(shí)到，雖然這里所舉例說(shuō)明和所討論的覆蓋層被用于多電池單元的電池，但是這種覆蓋層也可以用到單電池單元的電池。進(jìn)一步的，雖然在這里舉例說(shuō)明和描述的是“平行板”電池，但是覆蓋層也可以方便地應(yīng)用到“螺旋卷繞”的電池中，其中正極板和負(fù)極板以疊置的方式螺旋卷繞。此外，負(fù)極連接帶以及相鄰極板和隔板的上邊緣上也可以包括覆蓋層，但不是必需的。
前述是對(duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，而并不是對(duì)本發(fā)明的限制。雖然對(duì)所列舉的本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解對(duì)這些實(shí)施例可能有許多變化，而在本質(zhì)上不脫離本發(fā)明的新穎的教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)。因此，所有這樣的變化都包含在本發(fā)明所要求的范圍之內(nèi)。本發(fā)明由以下的權(quán)利要求進(jìn)行限定，其與所要求的保護(hù)范圍相當(dāng)。
權(quán)利要求
1.一種制造電池的方法，包括為電池提供一個(gè)單元電池，其具有交替的正極板和負(fù)極板，每個(gè)正極板和負(fù)極板之間被電絕緣的隔板層分開(kāi)，正極板與負(fù)極板相互疊置，其中每個(gè)正極板包括從正極板相鄰的上部延伸出來(lái)的突出突舌，所述正極板的突出突舌通常對(duì)齊，并且其中每個(gè)負(fù)極板包括突出突舌，所述負(fù)極板的突出突舌通常對(duì)齊；將導(dǎo)電連接帶附接到正極板的突出突舌上；將覆蓋層材料施加到正極板的突出突舌部分和相鄰上部上；和使覆蓋層材料硬化以提供附接在正極板的突出突舌和相鄰上部上的覆蓋層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述覆蓋層覆蓋正極板的突出突舌部分和相鄰上部部分，并防止上述部分被氧化。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中覆蓋層是一種使連接帶和正極板成為一體的堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中正極板和負(fù)極板由基于鉛的材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在附接導(dǎo)電連接帶的步驟之后將電池單元插入電池外殼。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在施加覆蓋層材料的步驟之后向電池單元加入電解質(zhì)溶液的步驟。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中施加覆蓋層材料的步驟包括將覆蓋層材料施加到連接帶的上表面，并使覆蓋層材料分散開(kāi)并滴到正極板的突出突舌和相鄰上部的暴露部分。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中覆蓋層材料包括一種粘合劑樹(shù)脂。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述粘合劑樹(shù)脂是一種環(huán)氧樹(shù)脂。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中覆蓋層材料具有在25℃大約19泊的粘度。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中正極板和負(fù)極板基本上是平面的。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中附接連接帶的步驟包括，將正極板的突出突舌浸入收集在模具中的導(dǎo)電熔融溶液中，并使所述熔融溶液冷卻形成連接帶，突出突舌被嵌入其中。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中導(dǎo)電的熔融溶液包括基于鉛的材料。
14.一種電池，包括外殼；多個(gè)交替的正極板和負(fù)極板，每個(gè)正極板和負(fù)極板之間被電絕緣的隔板層分開(kāi)，正極板與負(fù)極板相互疊置放置在外殼中，其中每個(gè)正極板包括從正極板相鄰的上部延伸出來(lái)的突出突舌，所述正極板的突出突舌通常對(duì)齊，并且其中每個(gè)負(fù)極板包括突出突舌，所述負(fù)極板的突出突舌通常對(duì)齊；附接在正極板突出突舌上的導(dǎo)電連接帶；附接在負(fù)極板突出突舌上的導(dǎo)電連接帶；覆蓋正極板的突出突舌和正極板相鄰上部部分的覆蓋層。
15.如權(quán)利要求14所述的電池，其中所述覆蓋層包括一種粘合劑樹(shù)脂。
16.如權(quán)利要求15所述的電池，其中粘合劑樹(shù)脂包括選自環(huán)氧類、活性丙烯酸類和連接化合物的材料。
17.如權(quán)利要求1所述的電池，其中正極板和負(fù)極板由基于鉛的材料制成。
18.如權(quán)利要求1所述的電池，其中負(fù)極板的突出突舌和相鄰上部沒(méi)有覆蓋層。
19.如權(quán)利要求1所述的電池，進(jìn)一步包括包含在所述外殼內(nèi)的電解質(zhì)溶液。
全文摘要
一種制造電池的方法，包括初始的是為電池提供具有交替的正極板和負(fù)極板的電池單元的步驟，其中每個(gè)極板被電絕緣的隔板層分開(kāi)。每個(gè)正極板和負(fù)極板包括從其相鄰上部延伸出的突出突舌，所述正極板的突出突舌大體對(duì)齊，負(fù)極板的突出突舌大體對(duì)齊。接下來(lái)，該方法包括將導(dǎo)電連接帶附接到正極板和負(fù)極板的突出突舌上。然后，該方法包括將覆蓋層材料施加到正連接帶上，使覆蓋層材料分散開(kāi)并滴到突出突舌的暴露部分和正極板、負(fù)極板以及隔板材料的相鄰上部上。使覆蓋層材料硬化以提供附接在突出突舌和正極板、負(fù)極板以及隔板材料的相鄰上部上的覆蓋層。
文檔編號(hào)H01MGK1663062SQ03814310
公開(kāi)日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2003年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月20日
發(fā)明者R·J·奈特, D·克維爾, A·C·羅恩斯, R·庫(kù)里安 申請(qǐng)人:能源系統(tǒng)歐洲控股公司