專(zhuān)利名稱(chēng)：雙極電池及制作雙極電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙極電池，尤其是NiMH電池，正如權(quán)利要求1的序言中所確定的。本發(fā)明還涉及制作雙極電池的方法，正如權(quán)利要求12的序言中所確定的。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，包括數(shù)個(gè)單元的雙極電池被設(shè)計(jì)成具有分別密封的單元來(lái)容納電解液和工作過(guò)程中產(chǎn)生的氣體。所發(fā)生的問(wèn)題就在于相鄰單元之間由于密封不充分而產(chǎn)生電解液通道，而這又主要取決于相鄰單元之間的壓力差。當(dāng)一個(gè)單元在相鄰單元開(kāi)始產(chǎn)生氣體之前就開(kāi)始產(chǎn)生氣體，那么就會(huì)出現(xiàn)壓力差。這是雙極電池中的單元的一般特性。
Bronoel等人在US5,344,723中提出了這一問(wèn)題的一個(gè)解決方法，公開(kāi)了一種具有公共氣體腔的雙極電池，氣體腔通過(guò)在雙板(導(dǎo)電支撐物/隔板)中形成開(kāi)口而產(chǎn)生。開(kāi)口還帶有憎水阻擋層以放置電解液通過(guò)。盡管解決了單元之間壓力差的問(wèn)題，但是這一所描述的電池還具有一個(gè)缺點(diǎn)。在每個(gè)雙板邊緣周?chē)耐饷芊庖廊槐仨毷遣宦┮旱模@非常難實(shí)現(xiàn)。如果外密封不是不漏液的，那么電極之間的隔板中所容納的電解液就有可能會(huì)形成從一個(gè)單元到另一個(gè)單元的電解液通路。
此外，所提出的解決方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)有點(diǎn)昂貴，因?yàn)樾枰┻^(guò)雙板制作開(kāi)口以產(chǎn)生公共壓力腔。如果雙板相對(duì)較薄，那么更難以穿過(guò)雙板形成開(kāi)口，因?yàn)榭赡軙?huì)形成裂縫、拉伸或金屬碎料。
因此，需要能夠容易地以可接受的價(jià)格制作的電池，并且在充電和放電過(guò)程中要很安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供雙極電池，優(yōu)選地雙極NiMH電池，與先有技術(shù)的雙極電池相比具有簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)。
這一目的通過(guò)權(quán)利要求1的特征部分所定義的雙極電池以及權(quán)利要求12的特征部分所確定的制作雙極電池的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于與先有技術(shù)的雙極電池相比，該雙極電池更容易制作。
另一優(yōu)點(diǎn)在于制作該雙極電池的成本大大減小了，同時(shí)又保持甚至提高了雙極電池的工作特性。
從下面對(duì)所公開(kāi)的雙極電化學(xué)電池和雙板組件的詳細(xì)描述中熟練的技術(shù)人員將能明了本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)。


附圖中所示的不同實(shí)施方案并不是成比例的，而是為了清楚起見(jiàn)而有所放大以指出不同的重要特征。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的雙板組件的第一實(shí)施方案的俯視圖。
圖2示出沿圖1的A-A線的剖面圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的雙板組件的第二實(shí)施方案的剖面圖。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的雙極電池的第一實(shí)施方案的剖面圖。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的雙極電池的第二實(shí)施方案的剖面圖。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的雙板組件的第三實(shí)施方案的剖面圖。
圖7示出沿圖6的A-A線的剖面圖。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的雙極電池的第三實(shí)施方案的剖面圖。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的組合框架和憎水阻擋層的第一實(shí)施方案。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的組合框架和憎水阻擋層的第二實(shí)施方案。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明的組合框架和憎水阻擋層的第三實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式
該雙極電池設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單以及低電阻損耗。該電池的部件數(shù)目相對(duì)較少，只含有端板和雙板，以及適當(dāng)?shù)慕M件和密封元件。
通過(guò)堆疊所需數(shù)目的雙板可以組成具有所需電壓的電池。在電池堆疊時(shí)形成單元之間的電學(xué)連接，因?yàn)槊總€(gè)雙板都是導(dǎo)電且不透電解液的。
電極位于每一端處，電流垂直于板，保證了均勻的電流和電壓分布。因?yàn)殡娏髀窂胶芏?，所以顯著降低了電壓降。
由于排除了元件和制作方法，雙極電池的重量、體積和制作成本也顯著降低。
雙極電池以前在商業(yè)上還沒(méi)有解決的主要問(wèn)題是在雙極電池內(nèi)的單元之間實(shí)現(xiàn)可靠的密封。
單元上的密封對(duì)于所有類(lèi)型的電池來(lái)說(shuō)都是極為重要的，雙極電池也不例外。單個(gè)單元含有活性材料(對(duì)于NiMH電池來(lái)說(shuō)分別為正性的氫氧化鎳和負(fù)性的金屬氫化物儲(chǔ)氫合金)、隔板和電解液。電極之間的離子傳輸需要電解液。對(duì)壽命、重量和體積優(yōu)化的最佳設(shè)計(jì)需要?dú)怏w的復(fù)合。
電池在充電時(shí)總會(huì)產(chǎn)生氣體。隨著電池接近充滿，產(chǎn)生氣體的速率會(huì)加快，并且在完全充滿時(shí)接近最快。產(chǎn)生的氣體主要是氧氣和氫氣。
作功率應(yīng)用的電池具有薄的電極。長(zhǎng)壽命、最小重量和體積是必須的屬性，這需要密封結(jié)構(gòu)。
氧氣會(huì)很快復(fù)合，因此將電池設(shè)計(jì)成如果單元過(guò)度充電或過(guò)度放電會(huì)首先產(chǎn)生氧氣。這需要兩個(gè)動(dòng)作1)加入過(guò)量的——通常過(guò)30％——負(fù)性活性材料，以保證將產(chǎn)生氧氣的正電極首先產(chǎn)生氣體。
2)形成從正性到氧氣在該處復(fù)合的負(fù)性的氣體通路。氣體通路通過(guò)控制電極小孔中以及穿過(guò)隔板的電解液的總量來(lái)獲得。電極的所有表面必須覆蓋一薄層電解液以便傳輸離子，但是該層必須足夠薄以允許氣體擴(kuò)散穿過(guò)該層，而且不需使得氣體能夠穿過(guò)整個(gè)活性層和隔板。
如果過(guò)度充電負(fù)電極會(huì)產(chǎn)生氫氣。因?yàn)闅錃獠粫?huì)很快復(fù)合，單元中的壓力會(huì)逐漸增大。氧氣復(fù)合使負(fù)性以和充電一樣的速率有效地放電，從而避免了負(fù)性的過(guò)度充電。
活性材料的表面區(qū)域以及雙極設(shè)計(jì)的均勻電壓分布促進(jìn)了快速?gòu)?fù)合。
雙極方式將保證降落在活性材料上的電壓在所有區(qū)域中均勻分布，從而整個(gè)電極將同時(shí)充滿。這將消除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的主要問(wèn)題，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電極某些部分過(guò)度充電且產(chǎn)生氣體而電極其它(偏遠(yuǎn)的)部分還沒(méi)有完全充滿。
常規(guī)電池中的單元被密封以容納電解液，是為了獲得適當(dāng)?shù)膯卧阅懿⒎乐瓜噜弳卧g的電解液通道。單元之間出現(xiàn)電解液通道將會(huì)使與電解液相連的單元以一個(gè)由通道電阻率(通道長(zhǎng)度和通道截面積)決定的速率來(lái)放電。雙極電池上的密封更為重要，因?yàn)殡娊庖和ǖ揽赡軙?huì)短得多。應(yīng)當(dāng)指出，這一公開(kāi)的一個(gè)重要特征在于使用了水平電解液阻擋層以顯著減小潛在的通道的長(zhǎng)度。另外的考慮就是單元工作所產(chǎn)生的總熱量。取決于所產(chǎn)生的熱量的大小，該設(shè)計(jì)必須能夠排出熱量并維持一個(gè)安全的工作溫度。
如果電解液通道形成在單元之間，可以通過(guò)周期性充滿電池來(lái)克服小的單元間泄漏?？梢砸怨潭ǖ目偭亢偷偷乃俾蕦㈦姵剡^(guò)度充電。低的速率將能使充滿的單元在不產(chǎn)生壓力的情況下復(fù)合氣體并且耗散掉來(lái)自復(fù)合/過(guò)度充電的熱量。具有小的單元間漏電通道的單元將變得平衡。
雙極單元中的熱流將發(fā)生在徑向中，實(shí)際上，端板優(yōu)選地多少有絕緣，以保證它們與電池其余部分工作在相同的溫度。
電池充滿電來(lái)實(shí)現(xiàn)其有用功能是很不必須的。電池通常是過(guò)標(biāo)的且超過(guò)需要的。如果某一操作需要50AH(安培時(shí))，那么規(guī)格通常至少會(huì)標(biāo)高10％。因?yàn)殡姵卦谑褂眠^(guò)程中會(huì)損失容量，預(yù)期的損耗會(huì)被加到新電池的容量中，那么在這一例子中，新電池有可能就會(huì)是70AH的規(guī)格。制造商可能會(huì)有75AH的中值設(shè)計(jì)目標(biāo)以為制作過(guò)程中的變動(dòng)留下余地。超這一額提供的很大部分是用于補(bǔ)償過(guò)度充電所導(dǎo)致的容量損失。
圖1為雙板組件10的第一實(shí)施方案的俯視圖，圖2為其(沿圖1的A-A線的)剖面圖，該雙板組件包含雙板11，優(yōu)選地由鎳或鍍鎳的鋼制成。負(fù)電極12和正電極13分別位于雙板11的相對(duì)面。在這一實(shí)施方案中，每個(gè)電極僅覆蓋雙板11一面的中央部分，留下每個(gè)電極與雙板11的邊緣15之間的空間，用于形成電池中所有單元的公共氣體空間，如結(jié)合圖4和5所描述的那樣。在雙板11某一面上，在電極——優(yōu)選地為負(fù)電極12——周?chē)挠性魉噪娊庖鹤钃鯇?4，用以放置電解液泄漏，如實(shí)施方案中所示。
本發(fā)明的基本部分在于圍繞電極周?chē)碾娊庖盒孤┦艿皆魉宰钃鯇拥目刂?。只要有足夠的空間安置憎水性阻擋層和確定每個(gè)單獨(dú)的單元的寬度的框架，那么連電極覆蓋雙板中央部分甚至也是不必要的，如下面所討論的。
電極12、13可以以多種途經(jīng)附到雙板11上，但是優(yōu)選地電極通過(guò)使用加壓粉末直接制作到雙板上，正如由同一申請(qǐng)者提出的已經(jīng)公開(kāi)的題為“制作雙板組件的方法、雙板組件以及雙極電池(A methodfor manufacturing a biplate assembly，a biplate assembly and abipolar battery)”的PCT申請(qǐng)PCT/SE02/01359中所公開(kāi)的那樣。通過(guò)使用將粉末直接壓到雙板上的方法，可以制作具有更少活性材料的薄電極。
雙板的形狀優(yōu)選地為矩形的以使雙板的有用面積最大化并更好地將雙板用于導(dǎo)熱目的。最大熱通道將被限制為矩形最短邊的長(zhǎng)度的一半。
電解液阻擋層14由合適的憎水性材料制成，例如含氟聚合物或類(lèi)似材料。憎水性材料可以作為液態(tài)或固態(tài)材料涂在雙板上，然后在位固化，這將會(huì)將阻擋層以有效的方式粘接到雙板上以放置單元之間的電解液泄漏。
圖3示出雙板組件17的第二實(shí)施方案的部分剖面圖，該雙板組件包含結(jié)合圖1和2描述的雙板11、負(fù)電極12、正電極13和憎水性阻擋層14。第二實(shí)施方案17還包含附加的在正電極13周?chē)脑魉宰钃鯇?6。
用于形成雙極電池中所有單元的公共氣體空間的機(jī)構(gòu)包含具有預(yù)定厚度——為單元的所需寬度——的框架?？蚣苤糜谙噜忞p板和/或雙板與端板之間，如下所述?？蚣苓B在每個(gè)雙板的側(cè)邊上，不密封，以使單元中所產(chǎn)生的氣體能夠溢出單元。在另一實(shí)施方案中，框架用熱塑性合成橡膠化合物制成，與雙板形成更好的密封，可以在框架中模鑄一個(gè)或多個(gè)泄漏溝道以保證泄漏通道。當(dāng)幾個(gè)雙板組件互相堆疊時(shí)，如結(jié)合圖4、5和8所描述的那樣，那么將會(huì)形成公共氣體空間，消除雙極電池中單元之間的壓力差。
圖4以剖面圖示出具有五個(gè)單元的雙極電池20。電池包含負(fù)線端21和正線端22，每個(gè)都分別具有負(fù)電極12和正電極13。在線端21和22的電極12、13周?chē)鸁o(wú)需提供憎水性阻擋層。四個(gè)雙板組件10在兩個(gè)線端21、22之間互相堆疊成三明治結(jié)構(gòu)。隔板24置于構(gòu)成單元的每個(gè)相鄰負(fù)12和正13電極之間，隔板含有電解液和預(yù)定百分比的氣體通路，典型值為大約5％。
框架23置于相鄰雙板11和/或雙板11與線端21或22之間。如圖中箭頭28所指，氣體可以從一個(gè)單元遷移到另一個(gè)單元，從而所有單元通過(guò)形成在框架23和雙板11之間的氣體通路共享公共氣體空間。如果單元中的電極在其它單元之前開(kāi)始產(chǎn)生氣體，那么這一壓力將分布到整個(gè)公共氣體空間。
如果公共空間中的壓力超過(guò)預(yù)定值，那么壓力釋放閥25將會(huì)開(kāi)啟將公共氣體空間與周?chē)h(huán)境連通。壓力釋放閥25穿過(guò)線端之一，在這一實(shí)施例中為穿過(guò)正線端22，并包含饋通。
另外，也可穿過(guò)線端之一——在這一實(shí)施例中為負(fù)線端21——安裝壓力傳感器26來(lái)測(cè)量電池單元內(nèi)的真實(shí)壓力。負(fù)線端21設(shè)計(jì)成金屬外殼27的一部分，金屬外殼與雙板11絕緣，正線端22作為雙極電池的一部分。每個(gè)框架23都是由絕緣材料制成，設(shè)計(jì)成通過(guò)給出凹口23’保證每個(gè)雙板11和金屬外殼27之間的絕緣，雙板和正線端在制作過(guò)程中置于凹口23’中并且在工作過(guò)程中通過(guò)施加箭頭29所指的壓力來(lái)保持。
壓力通過(guò)折下部分金屬外殼27來(lái)保持，并且將保證每個(gè)單元具有預(yù)定寬度w，大約等于框架23的高度。為了避免外殼27和正線端22之間的電學(xué)連接，在正線端22頂上還有絕緣層22’。作為替代，可以用任何其它標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)將蓋板固定，例如壓接、焊接、過(guò)盈配合、環(huán)氧樹(shù)脂、熱密封或溶劑，都取決于電池外殼結(jié)構(gòu)和電池應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。
釋放閥和壓力傳感器對(duì)熟練的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)都是很容易得到的，這里不詳細(xì)描述。
根據(jù)圖4的雙極電池通過(guò)下列步驟來(lái)制作(1)給出外殼27，與負(fù)電極12一起作為負(fù)線端21。
(2)第一隔板24置于負(fù)電極12頂上，第一框架23在電極12周?chē)?。電解液自然地加入隔板中?br> (3)第一雙板組件10——如結(jié)合圖1和2描述的那樣——置于框架23頂上從而雙板11位于凹口23’中。
(4)裝有電解液的第二隔板置于第一雙板組件10的負(fù)電極12頂上，第二框架23在電極12周?chē)?br> 重復(fù)步驟(3)和(4)直到形成所需數(shù)目的單元。
(5)然后將包括正電極13和絕緣外層22’的正線端22置于上框架23的凹口23’中。
(6)如箭頭29所指那樣向堆疊好的構(gòu)成雙極電池的元件施加壓力。
(7)然后將金屬外殼27的上邊緣27’折下以維持所施加的壓力。
雙極電池就完成了。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的雙極電池30的第二實(shí)施方案，包含負(fù)線端31、正線端32和四個(gè)堆疊的雙板組件17。這一電池的結(jié)構(gòu)與結(jié)合圖4描述的電池的不同之處如下。在確定每個(gè)單元寬度w的框架33中沒(méi)有出現(xiàn)凹口。憎水性電解液阻擋層14和16在負(fù)電極12和正電極13周?chē)?，防止電解液在雙板11的邊緣周?chē)鷱囊粋€(gè)單元到另一個(gè)單元的通路。憎水性阻擋層甚至在線端的負(fù)12和正13電極周?chē)?，盡管這對(duì)于維持電池工作來(lái)說(shuō)不是必須的。金屬外殼34具有置于內(nèi)部的絕緣層35，從而出現(xiàn)隔開(kāi)的負(fù)線端31。
第二實(shí)施方案的主要特征在于有可能通過(guò)用絕緣層35覆蓋外殼34的內(nèi)側(cè)而進(jìn)一步簡(jiǎn)化制作方法。這一實(shí)施方案中的框架只具有確定每個(gè)單元的寬度w以及使雙板11和線端31、32互相絕緣的作用。另一方面，非金屬外殼可用來(lái)代替內(nèi)側(cè)帶有絕緣層的金屬外殼。任何類(lèi)型的電池工業(yè)已知的合適容器——包括模鑄塑料容器——都可以用作根據(jù)本發(fā)明的雙極電池的外殼，只要電池能在合適的壓力下工作。
當(dāng)然有可能將絕緣層從金屬外殼34底部去除，使負(fù)線端31與外殼34接觸。
根據(jù)圖5的雙極電池通過(guò)下列步驟制作(1)給出外殼34，內(nèi)側(cè)上具有絕緣層35，或者外殼由不導(dǎo)電材料制成，例如模鑄塑料。
(2)包括負(fù)電極12和在負(fù)電極周?chē)脑魉宰钃鯇?4在內(nèi)的負(fù)線端31置于外殼內(nèi)，可通過(guò)外殼34底部的開(kāi)口連接線端。
(3)第一隔板24置于負(fù)電極12頂上，第一框架33在電極12周?chē)?。電解液自然地加入隔板?br> (4)第一雙板組件17——如結(jié)合圖3所描述的那樣——置于框架23頂上從而雙板11的邊緣接近絕緣層35。
(5)帶有電解液的第二隔板24置于第一雙板組件17的負(fù)電極12頂上，第二框架33在電極12周?chē)?br> 重復(fù)步驟(4)和(5)直到形成所需數(shù)目的單元。
(6)然后將包括正電極13和內(nèi)阻擋層16的正線端32置于上框架33頂上。
(7)如箭頭29所指那樣向堆疊好的構(gòu)成雙極電池的元件施加壓力。
(8)然后將金屬外殼34的上邊緣34’如箭頭36所指的那樣折下，或者如果使用非金屬外殼的話則以有效的方式固定，以維持所施加的壓力。
雙極電池就完成了。
框架33位于雙板11之間，雙板11和線端31、32將形成公共氣體空間，如結(jié)合圖4描述的那樣，電解液阻擋層14連同附加阻擋層16將防止電解液從一個(gè)單元到另一個(gè)單元的通路。優(yōu)選地，使用壓力釋放閥(未示出)連同壓力傳感器(未示出)一起監(jiān)測(cè)電池內(nèi)的壓力。壓力釋放閥和壓力傳感器可以安裝在任何合適的表面上，只要該處存在與電池連在一起的單元之間的連通通路就行。
在使用不導(dǎo)電外殼的情形中，端子可以按熟練的技術(shù)人員已知的任何方式從端板31、32去到線端穿透部，并且可以——在內(nèi)部或在外部——位于任何表面上或者與端板位于同一表面上。
圖6示出雙板組件40的第三實(shí)施方案的俯視圖，圖7示出沿圖6的A-A線的剖面圖。負(fù)電極12和正電極13分別位于雙板11的每個(gè)面上，如前面結(jié)合圖1-3所描述的那樣。
憎水性阻擋層41在雙板11的邊緣周?chē)?。在這一實(shí)施方案中，雙板11的正和負(fù)面被憎水性阻擋層覆蓋，盡管這對(duì)于獲得憎水性阻擋層的優(yōu)點(diǎn)來(lái)說(shuō)不是必須的。然而，在某些應(yīng)用中雙板會(huì)非常薄，當(dāng)只將憎水性阻擋層附著在雙板11邊緣上時(shí)會(huì)有問(wèn)題。
圖8示出雙極電池50的使用如圖6和7所公開(kāi)的雙板組件40的第三實(shí)施方案。
電池50的基本結(jié)構(gòu)與結(jié)合圖4所描述的電池相同，不同之處在于-使用了不同類(lèi)型的框架51，所示用的框架類(lèi)似于圖5所描述的電池中所使用的框架，具有開(kāi)口52以提供每個(gè)電池之間的氣體通路和靠近外殼27的空間。
-沿外殼27內(nèi)側(cè)至少有一個(gè)脊背53，用以確定雙板組件40邊緣的位置。外殼和雙板組件40之間的距離由脊背53的高度決定，所產(chǎn)生的空間允許氣體在單元之間流通。
-憎水性阻擋層41位于框架51外側(cè)，脊背53確定使得氣體可以在憎水性阻擋層41的面上流通的空間。
用于上述實(shí)施方案中的框架23、33和51提供相鄰單元之間的受控氣體泄漏，但是憎水性阻擋層14、16和41將會(huì)阻止相鄰單元之間電解液通道的產(chǎn)生。為了進(jìn)一步增強(qiáng)單元之間的內(nèi)建氣體泄漏，可使用框架的粗糙表面來(lái)保證框架和雙板11之間更高的不密封程度。
框架23、33和51優(yōu)選地具有良好的導(dǎo)熱性能，從而電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱能夠容易地通過(guò)外殼27、34散失掉。優(yōu)選地，因?yàn)榕c上面所討論的相同的原因，圖5中外殼內(nèi)側(cè)上的絕緣層35還具有良好的導(dǎo)熱性能。
根據(jù)本發(fā)明制作的NiMH電池中的正活性材料優(yōu)選地由球狀氫氧化鎳(芬蘭OMG提供)、鎳210纖維(美國(guó)INCO提供)和粉狀鈷(可從多家供應(yīng)商處得到)制成。負(fù)性材料優(yōu)選地由金屬氫化物(奧地利Treibacher提供)和鎳255纖維(美國(guó)INCO提供)制成。所有這些材料都有很多供應(yīng)商，尤其是在日本和中國(guó)，現(xiàn)在大多數(shù)鎳金屬氫化物電池都在這兩個(gè)地方制造。
在下面的示例性實(shí)施例中沒(méi)有使用其它材料，例如導(dǎo)電添加劑、粘合劑等。鎳?yán)w維INCO 210和255用作導(dǎo)電添加劑并形成與導(dǎo)電雙板的接觸，將來(lái)自活性材料的電流直接傳到至導(dǎo)電雙板。只要它是或者具有一層任何改善接觸的導(dǎo)電材料，那么任何類(lèi)型的電極結(jié)構(gòu)都可使用，以受益于根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的基本特征在于內(nèi)建泄漏將能提供將電池容器用作公共壓力罐的可能性，而無(wú)需在每個(gè)單元中提供液體和氣體密封，也不需要在每個(gè)雙板中給出孔洞。鄰近雙板的正和負(fù)電極之間的至少一個(gè)憎水性阻擋層的存在將防止相鄰單元之間的電解液泄漏，如上面所討論的那樣。
本發(fā)明的概念將可用于很多種尺寸，例如框架的物理尺寸、電極、雙板和隔板的厚度。關(guān)鍵是確定一個(gè)單元的雙板之間的距離。間隙必須足夠從而雙板之間的任何毛細(xì)潤(rùn)濕力都小于阻擋層的憎水特性。間隙同樣取決于電池中的電解液的質(zhì)量。顯然，充滿電解液的電池將無(wú)法不形成電解液橋，無(wú)論阻擋層的憎水特性和尺寸如何。充滿電解液的電池需要完全密封。
在缺電解液的電池設(shè)計(jì)——即應(yīng)用于本發(fā)明的設(shè)計(jì)——中，是所有密封鎳金屬氫化物電池如何設(shè)計(jì)的。電解液的量在電池壽命中扮演重要因素。電極和隔板競(jìng)爭(zhēng)可得到的電解液，連同雙板表面的潤(rùn)濕。電解液越少，所要的阻擋層月小，但是電池壽命也越短。
設(shè)計(jì)特征——例如隔板壓縮——影響隔板中的毛細(xì)作用力。由于它們保持和吸收電解液的能力，隔板的選擇可以是相應(yīng)的。柱形單元需要堅(jiān)固的隔板來(lái)抵受自動(dòng)纏繞組件過(guò)程。結(jié)果，它們使用更大直徑的纖維來(lái)獲得強(qiáng)度。用這些纖維制成的隔板具有更低的電解液保持力和吸收特性，當(dāng)電極干燥或在電極中吸收電解液時(shí)隔板向電極釋放電解液。具有更高吸收和電解液保持特性的更細(xì)的纖維的使用在電池中是需要的，而且是用于具有內(nèi)建泄漏的雙極電池中的優(yōu)選材料。隔板纖維應(yīng)當(dāng)具有在0.0001至0.015英寸(大約2.5至400μm)范圍內(nèi)——優(yōu)選地在0.003至0.008英寸(大約76至200μm)范圍內(nèi)——的直徑。
框架材料可以是任何合適的不導(dǎo)電且與電池單元內(nèi)的電化學(xué)環(huán)境兼容的材料。優(yōu)選方法為鑄造框架，任何來(lái)自ABS或聚丙烯累屬族的可以注入模鑄的材料都可以使用?？赡ｈT的熱塑合成橡膠化合物也可用作框架材料。用于模鑄框架的材料的一個(gè)實(shí)施例是Kraton G7705或等效物。
當(dāng)這一材料被壓縮時(shí)它形成足夠的密封防止電解液通道，也有可能在該材料中模鑄通路以保證所需的氣體流泄漏通道，見(jiàn)圖9-11。
本發(fā)明依賴(lài)于允許氣體在單元之間通過(guò)，但是防止電解液通過(guò)的特征。氣體通路的所需尺寸必須對(duì)過(guò)度充電下產(chǎn)生的所有氣體的通過(guò)來(lái)說(shuō)都是足夠的，對(duì)于高至10AH(安培時(shí))的單元來(lái)說(shuō)下限是具有0.003平方英寸(大約1.94mm2)截面的開(kāi)口。隨著每個(gè)單元電池容量的增大，開(kāi)口的截面成比例增大，或者給出更多開(kāi)口。
防止電解液在相鄰單元之間遷移的憎水性阻擋層的寬度優(yōu)選地處在0.020至0.125英寸(大約0.5至3mm)范圍內(nèi)，更優(yōu)選地處在0.050至0.060英寸(大約1.3至1.5mm)范圍內(nèi)。憎水性阻擋層的厚度取決于材料和應(yīng)用方式。優(yōu)選地盡可能薄。
下面將更詳細(xì)地描述雙板組件和雙極NiMH電池的示例性實(shí)施例作為非限制實(shí)施例，以進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明設(shè)計(jì)所帶來(lái)的好處。
在NiMH電池中10AH單元的實(shí)施例中，框架的高度取決于應(yīng)用，電極的厚度也是。電極的厚度處于0.002至0.050英寸(大約0.05至1.3mm)范圍內(nèi)，優(yōu)選的范圍為0.010至0.035英寸(大約0.25至0.90mm)。電極通常具有矩形形狀和在每個(gè)電極周?chē)脑魉宰钃鯇?，由于溫度要求，電極寬度不超過(guò)6英寸(大約150mm)。雙板的厚度處于0.001至0.005英寸(大約25至125μm)范圍內(nèi)，優(yōu)選地處于0.0025至0.003英寸(大約64至76μm)范圍內(nèi)。
圖9-11示出組合框架和憎水性阻擋層的三種不同實(shí)施方案。
圖9示出由憎水性材料制成的框架60的第一實(shí)施方案?？蚣苣ｈT到雙板11上，在框架60中給出延伸到框架外側(cè)的模鑄溝道61。
圖10所示的第二實(shí)施方案包含由憎水性材料制成的框架70?？蚣苣ｈT到雙板11上，如結(jié)合圖9討論的框架60那樣，模鑄溝道71從電池單元的內(nèi)側(cè)延伸到框架70中的模鑄孔洞72。
圖11所示的第三實(shí)施方案也包含由憎水性材料制成的框架80?？蚣軉为?dú)模鑄，具有用于支持雙板11的凹口81以及延伸到框架80外側(cè)的模鑄溝道82。
當(dāng)結(jié)合圖9至11公開(kāi)的憎水性框架60-80在組裝過(guò)程的最后階段處于壓力下時(shí)，它將提供對(duì)雙板11的足夠的密封以防止在相鄰單元之間形成任何電解液通道。從而消除了如圖1至8所示那樣單獨(dú)安置憎水性阻擋層的需要。
在最終組裝好的電池內(nèi)部提供壓力的方式也可以包括在端板之間使用拉桿。拉桿甚至能置于端板中央部分這意味著它們穿過(guò)電極區(qū)域。如果在電極區(qū)域中必須一個(gè)或多個(gè)孔洞，則每個(gè)孔洞周?chē)枰魉宰钃鯇右苑乐瓜噜弳卧g的電解液泄漏以及拉桿的從電極到隔板、從隔板到憎水性阻擋層和設(shè)計(jì)孔洞的等效間隙。
權(quán)利要求
1.一種雙極電池(20；30)，具有至少兩個(gè)電池單元，包括密封的外殼，負(fù)線端(21；31)，具有負(fù)電極(12)，正線端(22；32)，具有正電極(13)，至少一個(gè)雙板組件(10；17)，每個(gè)都具有安裝在雙板(11)負(fù)面的負(fù)電極(12)和安裝在雙板(11)的與所述負(fù)面相對(duì)的正面的正電極(13)，在所述負(fù)(21；31)和正(22；32)線端之間呈三明治結(jié)構(gòu)，以及隔板(24)，置于形成電池單元的每個(gè)負(fù)(12)和正(13)電極之間，所述隔板(24)包含電解液，其特征在于憎水性材料制成的內(nèi)阻擋層(14；16)，其被設(shè)置在每個(gè)雙板(11)的第一面上的至少一個(gè)電極(12)周?chē)?，由此所述?nèi)阻擋層(14；16)防止從一個(gè)單元到另一個(gè)單元的電解液通道，以及框架(23；33)用以提供每個(gè)雙板(11)和/或雙板(11)與線端(21，22；31，32)之間的預(yù)定單元間距(w)，所述框架(23；33)以非密封方式連在每個(gè)雙板(11)上，以允許環(huán)境氣體在相鄰單元之間流通，從而為電池中所有單元產(chǎn)生公共氣體空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的雙極電池，其中所述第一面為負(fù)面，內(nèi)阻擋層(14)被布置在至少每個(gè)雙板(11)的負(fù)面上的負(fù)電極(12)周?chē)?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求2的雙極電池，其中附加內(nèi)阻擋層(16)在每個(gè)雙板(11)的正面上的正電極(13)周?chē)?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一個(gè)的雙極電池，其中線端之一(22)具有壓力釋放閥(25)以便如果公共氣體空間中的壓力超過(guò)預(yù)定值，公共氣體空間能與周?chē)h(huán)境連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一個(gè)的雙極電池，其中壓力傳感器(26)連在線端之一(21)上以監(jiān)測(cè)公共氣體空間中的壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個(gè)的雙極電池，其中框架由憎水性材料制成，具有模鑄氣體通路，從而框架用作內(nèi)阻擋層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一個(gè)的雙極電池，其中密封外殼包括外罩(27；34)，所述線端(21；31，32)中至少一個(gè)以及每個(gè)雙板(11)都與之絕緣，外罩以氣密方式與所述線端(21；31)之一相連，從而提供所述密封外殼。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的雙極電池，其中所述外罩(34)的內(nèi)側(cè)至少部分具有絕緣層(35)以提供所述絕緣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的雙極電池，其中每個(gè)框架(23)由電絕緣材料制成，置于所述電池中以提供所述絕緣。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任何一個(gè)的雙極電池，其中所述憎水性阻擋層(14)為含氟聚合物材料或類(lèi)似材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任何一個(gè)的雙極電池，其中雙極電池為NiMH電池。
12.一種制作至少具有兩個(gè)單元的雙極電池(20；30)的方法，包括下列步驟提供外殼，在外殼中安置具有負(fù)電極(12)的第一線端(21；22)，安置至少一個(gè)雙板組件(10；17)，每個(gè)都在雙板(11)的負(fù)面上安裝有負(fù)電極(12)并在雙板(11)與所述負(fù)面相對(duì)的正面上安裝正電極(13)，在所述第一線端(21；31)和第二線端(22；32)之間呈三明治結(jié)構(gòu)，在所述外殼中具有正電極(13)，以及在形成電池單元的每個(gè)負(fù)(12)和正(13)電極之間安置隔板(24)，所述隔板(24)包含電解液，特征在于該方法進(jìn)一步包括下列步驟提供憎水性材料制成的內(nèi)阻擋層(14；16)，在每個(gè)雙板(11)的第一面的至少一個(gè)電極(12)周?chē)?，從而所述?nèi)阻擋層(14；16)防止從一個(gè)單元到另一個(gè)單元的電解液通路，在每個(gè)雙板(11)和/或雙板(11)與線端(21，22；31，32)之間提供框架(23；33)，與每個(gè)雙板(11)以不密封方式相連，以允許環(huán)境氣體在相鄰單元之間流通，從而為電池中所有單元形成公共氣體空間，以及密封所述外殼。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述第一面選擇為負(fù)面，內(nèi)阻擋層(14)至少在每個(gè)雙板(11)的負(fù)面上的負(fù)電極(12)周?chē)?br> 14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中附加內(nèi)阻擋層(16)在每個(gè)雙板(11)的正面上的正電極(13)周?chē)?br> 15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任何一個(gè)的方法，其中該方法進(jìn)一步包括在所述線端之一(22)中提供壓力釋放閥(25)的步驟，以便如果公共氣體空間中的壓力超過(guò)預(yù)定值，公共氣體空間能與周?chē)h(huán)境連通。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任何一個(gè)的方法，其中該方法進(jìn)一步包括為線端之一(21)提供壓力傳感器(26)的步驟，以監(jiān)測(cè)公共氣體空間中的壓力。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-16中任何一個(gè)的方法，其中所提供的框架由憎水性材料制成，且設(shè)置成充當(dāng)內(nèi)阻擋層，消除單獨(dú)的內(nèi)阻擋層的需要。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-17中任何一個(gè)的方法，其中該方法進(jìn)一步包括下列步驟將至少所述線端(22；31，32)之一和每個(gè)雙板(11)以電絕緣方式置于外罩(27；34)中，以氣密方式將外罩(27；34)與所述線端(22；32)之一相連并密封，從而提供所述密封外殼。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中該方法進(jìn)一步包括提供電絕緣層(35)的步驟，至少部分置于金屬外罩(34)內(nèi)側(cè)以提供所述絕緣。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中提供框架(33)的步驟進(jìn)一步包括提供由電絕緣材料制成的框架并將所述框架置于電池內(nèi)以提供所述絕緣的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求12-20中任何一個(gè)的方法，其中提供內(nèi)阻擋層(14)的步驟包括提供由含氟聚合物材料制成的內(nèi)阻擋層。
全文摘要
本發(fā)明涉及雙極電池，尤其是NiMH電池，具有密封外殼、負(fù)線端、正線端以及至少一個(gè)包括雙板、正和負(fù)電極的雙板組件。隔板置于形成電池單元的每個(gè)負(fù)和正電極之間，所述隔板包括電解液。憎水性材料制成的內(nèi)阻擋層在至少一個(gè)電極周?chē)?，從而所述?nèi)阻擋層防止從一個(gè)單元到另一個(gè)單元的電解液通路，框架用以提供每個(gè)雙板 和/或雙板與線端之間的預(yù)定單元間距?？蚣芤赃@樣的方式與每個(gè)雙板相連以允許環(huán)境氣體在相鄰單元之間流通，從而為電池中的所有單元形成公共氣體空間。本發(fā)明還涉及制作雙極電池的方法。
文檔編號(hào)H01M10/28GK1717819SQ200380104393
公開(kāi)日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月29日
發(fā)明者賴(lài)茨·弗萊德瑞克森, 尼爾·H.·普斯特爾 申請(qǐng)人:尼拉國(guó)際股份公司