專利名稱：電功率存儲設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)電池、電化學(xué)雙層電容器以及非對稱電容器中的纖維(例如， 毛細纖維)的使用。
背景技術(shù)：
已知提供諸如電化學(xué)電池和電容器之類的電功率存儲設(shè)備在諸如汽車之類的車輛中使用。例如，已經(jīng)在啟動、點火和引燃(SLI)應(yīng)用中使用鉛酸電池。最常見的兩種電功率存儲設(shè)備是電池和電容器。通過生成施加到也可以用作電荷收集器的基底(例如，柵格、板或者絲網(wǎng))的鉛膏來形成常規(guī)的鉛酸電池電極。隨著鉛膏的干燥，在電池電解質(zhì)可能進入的鉛膏內(nèi)形成開孔，這增加了柵格的反應(yīng)面積并且增加了其電荷能力。然而，過量的孔隙率降低了電極的結(jié)構(gòu)整體性。此外，由于常規(guī)的電極具有有限的孔隙率，大量的活性材料不能接近電解質(zhì)并且由于其對于反應(yīng)不可用而未被充分利用或者基本上被浪費。典型地，常規(guī)鉛酸電極中的大約一半的鉛不可用或者未被使用。在整個壽命期間，電池會多次進行充電和放電，這也會隨著供應(yīng)電流重復(fù)反向的還原-氧化反應(yīng)而使電極降質(zhì)。隨著時間的過去，電極的一部分可能變得與電極的剩余部分電斷開。電極的結(jié)構(gòu)整體性也隨著時間惡化。為了將電極材料保持在適當?shù)奈恢?，可以使用紗幕?scrim layer)(例如，纖維網(wǎng)眼)?？梢栽谑┘踊钚圆牧细嘀霸陔姾墒占魃戏胖眉喣粚雍?或在施加活性材料膠之后放置在該膏上。紗幕層可以幫助將電極保持在一起，但是不改善孔隙率或者增加反應(yīng)性。電容器以兩個導(dǎo)體之間的電場形式存儲功率。典型的電容器使用薄板的堆疊(交替的電容器板和電介質(zhì))或者薄片的卷(交替的電容器和電介質(zhì)片卷在一起)。能量通常以具有相等幅值和相反極性的電荷的形式存儲在由電介質(zhì)材料分隔開的相鄰板或者片中。 在典型的電容器中，電流從電容器表面流經(jīng)整個電容器板，要求所述板是導(dǎo)電的以降低電阻損失，并且足夠厚而不會過熱和熔化。這樣的要求對電容器的功率存儲與重量比提出了不期望的限制。電容(即，存儲在每一個板上的電荷量)與板表面面積成正比并且與板之間的距離成反比。因而，增加電容器存儲能量的能力通常要求增加板尺寸和/或降低板之間的距離。然而，增加板尺寸增加了電阻和過熱問題，并且降低板間隔增加了電荷直接經(jīng)過板之間(即，短路)，將其燒毀并且使電容器不能夠保持電荷的風(fēng)險。電化學(xué)雙層電容器(“EDLC”)是能夠比傳統(tǒng)的靜電電容器在每單位重量和每單位體積上存儲更多能量的功率存儲設(shè)備。而且，EDLC通常能夠以比常規(guī)的可再充電電池更高的功率額定傳輸所存儲的能量。常規(guī)的EDLC使用碳作為電極中的活性材料。常規(guī)的EDLC 包括通過多孔間隔體隔離而免于電接觸的兩個多孔電極。間隔體和電極都使用電解質(zhì)溶液浸泡。這允許離子電流通過間隔體在電極之間流動，但是防止了電流短路電池。電流收集柵格耦合到每一個電極的后面。EDLC在浸入在電解質(zhì)中的兩個電極之間存在電勢時形成的極化液體層中存儲靜電能量。在電極兩端施加電勢時，由于在所施加的電場下的電荷分離， 并且還由于電解質(zhì)分子在電極的整個表面上的雙極取向和排列，通過電解質(zhì)離子的極化在電極-電解質(zhì)界面處形成正負電荷的雙層。在電荷存儲機制中不涉及還原-氧化反應(yīng)。非對稱電化學(xué)電容器使用電池電極用于電極之一。電池電極與碳電極相比較具有大的容量，使得其電壓不隨著電荷明顯改變。這允許更高的整體電池電壓。非對稱電容器材料的示例包括具有碳的1 和具有碳的NiOOH?；竞推渌欣卣鞲艣r存在對于具有更大的功率存儲能力、降低的重量和/或改善的可循環(huán)性的電功率存儲設(shè)備的顯著需要。期望提供一種例如在本申請中公開的包括這些或者其它有利特征中的任意一個或者多個的電池、電容器、非對稱電容器等類型的功率存儲設(shè)備1.用于功率存儲設(shè)備的電極在不降低結(jié)構(gòu)整體性的同時具有增加的磁導(dǎo)率；2.用于功率存儲設(shè)備的電極在不降低磁導(dǎo)率的同時具有增加的結(jié)構(gòu)整體性；3.在不降低功率能力的同時使用較少活性材料的功率存儲設(shè)備；4.包括作為電化學(xué)電池和電容器存儲能量的電極的功率存儲設(shè)備；5.比常規(guī)的功率存儲設(shè)備具有更高的功率尺寸比的功率存儲設(shè)備；

發(fā)明內(nèi)容
示例性實施例涉及一種功率存儲設(shè)備，所述功率存儲設(shè)備包括至少一個正電極、 至少一個負電極、以及將正電極與負電極分隔開的至少一個間隔體，其中所述至少一個負電極或者至少一個正電極中的至少一個包括高表面面積的纖維。另一示例性實施例涉及一種電極，所述電極包括電荷收集器柵格、涂覆在所述電荷收集器柵格上的電極活性材料、以及高表面面積的纖維。另一示例性實施例涉及一種電極，所述電極包括電荷收集器，所述電荷收集器包括由高表面面積的纖維構(gòu)成的氈以及涂覆在所述氈上的電極活性材料。在下面根據(jù)本發(fā)明的各種設(shè)備、結(jié)構(gòu)和/或方法的各示例性實施例的詳細描述中描述了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的各實施例的這些和其它特征和優(yōu)點，并且通過所述詳細描述，所述特征和優(yōu)點將變得顯而易見。


將參考附圖詳細描述根據(jù)本公開的系統(tǒng)和方法的各示例性實施例，在附圖中圖1是根據(jù)示例性實施例包括電池模塊的車輛的透視圖；圖2是根據(jù)示例性實施例的電池模塊的截面分解圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的三葉型纖維的示例性實施例的截面圖；圖4是根據(jù)示例性實施例的四葉型纖維的截面圖；圖5是根據(jù)示例性實施例的圓形纖維的截面圖；圖6是根據(jù)示例性實施例加載有碳并且涂覆有電池電極活性材料的三葉型纖維的截面圖7是根據(jù)第一示例性實施例具有一氈毛細纖維的電極的部分透視圖；圖8是根據(jù)第二示例性實施例加載有碳和電解質(zhì)并且涂覆在電池電極活性材料中的三葉型纖維的截面圖；圖9是根據(jù)示例性實施例具有涂覆在纖維的內(nèi)部上并且滲透電解質(zhì)的電極活性材料的纖維的截面圖；圖10是根據(jù)示例性實施例使用根據(jù)圖9的實施例的纖維的雙電化學(xué)電池和EDLC 的正視圖；圖IlA是根據(jù)示例性實施例的電池柵格的正視圖；圖IlB是根據(jù)示例性實施例由高表面面積纖維覆蓋的圖IlA的電池柵格的正視圖；圖IlC是根據(jù)示例性實施例由電極活性材料覆蓋的圖IlB的電池柵格的正視圖；圖12A是根據(jù)示例性實施例涂覆有電極活性材料的具有形狀的纖維的截面圖；圖12B是根據(jù)示例性實施例涂覆有可滲透絕緣體的圖12A的纖維的截面圖；圖12C是根據(jù)示例性實施例由圖12B的纖維制成的氈的透視圖；圖13是根據(jù)第一示例性實施例的雙組件細絲的端視圖；圖14是根據(jù)第二示例性實施例的雙組件細絲的透視圖；圖15是根據(jù)第三示例性實施例的雙組件細絲的透視圖；圖16是根據(jù)第四示例性實施例的雙組件細絲的側(cè)視圖；以及圖17是根據(jù)第五示例性實施例的雙組件細絲的側(cè)視圖。應(yīng)該理解，附圖并不必要按比例繪制。在某些實例中，省去了對于理解本發(fā)明不必要或者使其它細節(jié)難于理解的細節(jié)。當然應(yīng)該理解，本發(fā)明不必限于這里說明的特定實施例。
具體實施例方式參考圖1，所示出的車輛160包括根據(jù)示例性實施例的電功率存儲設(shè)備100。盡管將車輛160示出為汽車，但是根據(jù)各可選實施例，所述車輛可以包括各種類型的車輛，包括汽車、公共汽車、休閑車、輪船等等。根據(jù)示例性實施例，車輛160使用內(nèi)燃機(未示出)用于機車目的。圖1所示的電功率存儲設(shè)備100被配置成提供啟動或者操作車輛160和/或各種車輛系統(tǒng)(例如，開始、點火和引燃系統(tǒng)(SLI))所需的功率的至少一部分。此外，應(yīng)該理解，可以在不涉及車輛的各種應(yīng)用中利用電功率存儲設(shè)備100，并且所有這些應(yīng)用都旨在處于本公開的范圍內(nèi)。圖2示出了根據(jù)示例性實施例的電功率存儲設(shè)備100。在各實施例中，電功率存儲設(shè)備100包括在包含電解質(zhì)的容器或者殼體110的單獨隔室中設(shè)置的幾個電池元件。圖2 的實施例涉及汽車應(yīng)用，其中在六個堆107的每一個中使用12-16個板104和105構(gòu)成的組用于產(chǎn)生標準汽車12-伏特電池。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見的是，在閱讀本說明書之后，根據(jù)期望的終端使用，單個的板104和105的尺寸和數(shù)量、在任意特定堆107 中板104和105的尺寸和數(shù)量以及用于構(gòu)造電功率存儲設(shè)備100的堆107的數(shù)量可以寬范圍地變化。
在各個實施例中，殼體110包括類似盒子的基部或者容器并且至少在可模壓樹脂的一部分中制造。多個堆107或者板塊根據(jù)電功率存儲設(shè)備的容量串聯(lián)連接，并且連同通常是含水硫酸的電解質(zhì)一起容納在容器或者殼體110中。在各個實施例中，電功率存儲設(shè)備100包括具有前壁、端壁、后壁和底壁的隔室。 在各實施例中，在端壁之間設(shè)置五個電池分隔或者劃分器，產(chǎn)生六個隔室，這通常存在于十二伏特汽車電池中。在其它實施例中，分隔和隔室的數(shù)量可以改變以生成具有不同電壓的電功率存儲設(shè)備。在各實施例中，板組或者堆107位于每一個隔室中，每一個板組或者堆 107包括一個或者多個正板104和負板105，每一個板具有至少一個手柄(Iug) 103、以及放置或者設(shè)置在每一個正板104和負板105之間的間隔體106。在各示例性實施例中，正板 104和負板105包括具有分別涂覆有正電極活性材料或者負電極活性材料或者膏的附接手柄103的柵格101和102。為殼體110提供蓋111，并且在各實施例中，蓋111包括端子襯套和填充管以允許電解質(zhì)添加到電池中并且允許檢修。為了防止電解質(zhì)從填充管中的不期望溢出，并且為了允許在電化學(xué)反應(yīng)期間生成的氣體的排放，電功率存儲設(shè)備還可以包括一個或者多個填充器孔帽和/或通風(fēng)帽組件?？梢栽陔姽β蚀鎯υO(shè)備的頂部或者前隔室上或者周圍發(fā)現(xiàn)至少一個正端子柱108 和負端子柱109。根據(jù)電功率存儲設(shè)備的設(shè)計，這種端子柱108和109通常包括可以延伸經(jīng)過蓋111和/或殼體110的前面的部分。在各實施例中，端子柱108和109還延伸經(jīng)過端子柱密封組件(未示出)以幫助防止酸的泄露。應(yīng)該意識到，各種端子布置都是可能的，包括本領(lǐng)域中已知的頂部、側(cè)面或者拐角配置。圖2還示出了包括具有足以電耦合板組中的每一個手柄的長度的矩形細長體部分以及具有圓角頂部的向上延伸部件的常規(guī)澆鑄接線片112。圖2還示出了要耦合到負端子柱的澆鑄接線片耦合手柄。如圖2所示，根據(jù)各實施例，所述澆鑄接線片包括耦合端部隔室中的各自手柄的主體部分以及與其一起形成以突出穿過蓋的柱。每一個電池元件或者段包括至少一個正板104、至少一個負板105、以及位于每一個正板104和負板105之間的間隔體106。間隔體106設(shè)置在板之間以防止在電功率存儲設(shè)備100中發(fā)生反應(yīng)期間產(chǎn)生短路和不期望的電子流。如上所述，常規(guī)的電池板或者電極的反應(yīng)性隨著板或者電極的孔隙率(與空隙空間的量相關(guān))的增加而增加。然而，常規(guī)的電極的結(jié)構(gòu)整體性或者強度以及內(nèi)部導(dǎo)電性隨著孔隙率的增加而降低。此外，常規(guī)的電極的結(jié)構(gòu)強度和內(nèi)部導(dǎo)電性傾向于隨著電池放電和重新充電的時間而惡化。這里描述的板或者電極比常規(guī)的電極具有更大的孔隙率和/或結(jié)構(gòu)完整性。在各示例性實施例中，將具有通過毛細作用帶走電解質(zhì)溶液的能力的小的高表面面積纖維(例如，具有形狀的纖維和/或微纖維)并入電極的各種部件或者部分，或者將其與電極的各種部件或者部分以其它方式一起利用。所述高表面面積纖維可以加強電極和/或生成用于電解質(zhì)的路徑，以更好地滲透電極活性材料。所產(chǎn)生的電極要求更少的活性材料以產(chǎn)生相同的電流，并且通過比常規(guī)的電極更多的放電-再充電周期保持其電荷能力。它們還更好地維持其結(jié)構(gòu)完整性和/或內(nèi)部導(dǎo)電性。在各示例性實施例中，非毛細導(dǎo)電纖維也能夠用于加強電極活性材料并且增加內(nèi)部電極導(dǎo)電性。
在各示例性實施例中，所公開的電極也可用于電化學(xué)雙層電容器(“EDLC”)中。 通過包括各種形式的碳來增強電容，例如包括石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維、 以及碳納米管(CNT)或者這些材料的任意組合?？梢栽诿毨w維中設(shè)置(例如，涂覆或者灌輸)碳和/或使碳與活性材料混合。向纖維中添加碳有助于增加其有效的表面面積及其導(dǎo)電性。導(dǎo)電纖維有助于防止電極的一部分變?yōu)殡姼綦x(例如，通過電極的一部分的物理和/或?qū)щ姅嚅_和/或通過在電極中形成不好的導(dǎo)體)。應(yīng)該理解，這里所使用的術(shù)語“電極”是指用于在電化學(xué)電池單元、EDLC和/或非對稱電容器(例如，雙電池/EDLC)中存儲電荷的設(shè)備。在各示例性實施例中，所公開的功率存儲設(shè)備包括非對稱電容器。非對稱電容器是其中一個板由電池電極代替的電化學(xué)電容器。在各示例性實施例中，在所公開的功率存儲設(shè)備中的電極作為電化學(xué)電池電極和電化學(xué)電容器電極二者來存儲電荷。作為示例，圖3-5示出了位于本發(fā)明范圍內(nèi)的三種形狀的纖維。圖3示出了三葉型纖維Ml的一個示例性實施例。圖4示出了四葉型纖維M2的一個示例性實施例。圖5 示出了圓形纖維243的一個示例性實施例。這些和其它形狀具有能夠在不使用或者不需要粘合劑的情況下維持涂覆在其中的材料的能力。也可以使用現(xiàn)在已知或者以后研究的其它纖維形狀。在各示例性實施例中，根據(jù)處理方法，所述纖維具有大約1微米到大約100微米的截面直徑以及0.02-20mm的長度。具有高比面的毛細纖維的制造是已知的。例如，Largman 等人(US 5，057，368)解決了三葉型和四葉型纖維的制造，在這里以引用的方式將其全部公開并入本文。單個的纖維可以是直的或者非直的。非直的纖維可以具有一個或者多個形狀，例如包括但不限于纏繞纖維、環(huán)路纖維、卷曲纖維和透氣纖維。這些以示例的方式提供，并且單個的纖維可以具有這些或者其它形式中的一個或者多個的截面。在各示例性實施例中，纖維由聚合物(例如，聚酯纖維、聚丙烯、聚乙烯、和/或聚乙烯對苯二酸鹽)形成。在纖維形成之前或者之后，聚合物可以與附加材料(例如，碳、金屬和金屬氧化物)一起利用。纖維可以由各種有機和/或無機材料形成，例如包括聚丙烯、 聚乙烯、聚乙烯對苯二酸鹽(PET)和/或玻璃。纖維還可以由根據(jù)其配置能夠用作I、II或者III型電容器的導(dǎo)電聚合物(例如，氧化還原聚合物)形成。材料的選擇可能受到它們所放置或者利用的環(huán)境的影響(例如，抵抗在電池中使用的酸的腐蝕效應(yīng)的材料)?？梢栽趩蝹€步驟或者多個步驟中形成纖維，以提供具有各種機械特性、化學(xué)特性、電特性和/或 “流體”傳輸屬性的不同材料層?？梢酝ㄟ^親水或者疏水纖維材料的選擇來調(diào)節(jié)或者改變纖維的毛細行為。在各示例性實施例中，可以以所述纖維的“原形”、碳化、和/或預(yù)加載有工程材料 (例如，金屬、碳黑、硅、錫氧化物、石墨和/或酸)的形式使用所述纖維。在各示例性實施例中，利用各種方法和/或方式預(yù)處理纖維。預(yù)加載的材料可以包括納米級材料，例如以納米纖維和多壁納米管為例。可以通過任何適合的方式施加涂層，例如以經(jīng)由擴散和漿液形式的溶劑的沉積(例如，通過水、酸或者其它溶劑)、通過噴涂、或者通過浸入纖維(例如， 在導(dǎo)電金屬中)為例。例如，可以制造纖維的許多材料比鉛基電極活性材料具有更高的熔點。因而，可以通過將纖維浸入熔化的活性材料中并且允許該活性材料變硬、固體化和/或關(guān)于纖維的其它形式向纖維施加鉛基活性材料。在各示例性實施例中，EDLC與電化學(xué)電池(例如，鉛酸或者鋰離子電池)集成。在各實施例中，電池電極還用作EDLC電極。所述電極可以包括電池電極活性材料和碳。在各實施例中，電解質(zhì)包含足夠的離子以與電池活性材料進行化學(xué)反應(yīng)并且形成EDLC帶電層。所述纖維可以由各種材料構(gòu)成，包括導(dǎo)電材料和/或電介質(zhì)材料。在各實施例中， 纖維由兩種或者更多種材料制成(例如，導(dǎo)電芯和電介質(zhì)表面)。所述纖維可以在其芯中或者在內(nèi)部(例如，在其內(nèi)部)導(dǎo)電并且在其表面上或者外部非導(dǎo)電，這將允許所述芯為或者作為用于由電介質(zhì)材料形成的電容器的電流收集器。這可以至少部分地通過例如使纖維復(fù)合(coextruding)或者通過使用電介質(zhì)涂覆導(dǎo)電纖維來實現(xiàn)。如圖6所示，在各示例性實施例中，示例性的三葉型纖維341涂覆或者加載有碳添加劑例如，石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米管，和/或CNT)?？梢詫⑻疾牧霞虞d到原始形式的纖維(即，沒有任何粘合劑材料)或者將已知量的粘合劑添加到碳中以形成穩(wěn)定的多孔合成物(例如，在纖維內(nèi))的合成物形式的纖維的面積中或者上。CNTj^ 納米纖維以及碳須可以在各種基底上生長。實現(xiàn)這的一種方法在國際專利申請No. PCT/ US2007/011577中有所公開，這里以引用的方式將其全部內(nèi)容并入本文。在各示例性實施例中，如圖6所示，纖維341 (例如，內(nèi)部表面)涂覆有碳并且由電極活性材料圍繞(例如，涂覆在纖維上或者與纖維混合)。在各示例性實施例中，如圖7所示，將毛細纖維設(shè)置或者以其它方式形成為氈 222(例如，編織、非編織或者點接合)。在各實施例中，在氈222上設(shè)置(例如，涂覆)活性材料223(例如，鉛氧化物)以形成用于電功率存儲設(shè)備(例如，電化學(xué)電池)的電極220。 在各實施例中，如圖6所示，所述纖維也可以涂覆有碳(例如，石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維和/或CNT)，并且在一些實施例中，所述纖維用作EDLC。這樣的實施例可以有助于增加壽命周期，生成高的界面面積從而增加活性電極的雙層電容，有助于優(yōu)化電荷接受力和/或高速放電，和/或改善活性材料的轉(zhuǎn)換效率(例如，初始電荷)。在各示例性實施例中，除了或者代替圖7所示的較長纖維，與活性材料一起散布、 混合或者以其它方式設(shè)置纖維短片?？梢栽诔Ｒ?guī)電荷收集器(例如，柵格、板或者絲網(wǎng))上或者在纖維氈上設(shè)置短纖維片和活性材料的混合物。在各示例性實施例中，可以將短長度的纖維粘附到電荷收集器的表面，以有助于形成毛絨短纖維結(jié)構(gòu)來支撐活性材料。在活性材料中包括短纖維片有助于增加電極的孔隙率和/或反應(yīng)性，這有助于降低形成電極所需的活性材料的量。如果將纖維片涂覆在碳中，則所產(chǎn)生的板也可以用作EDLC。在各示例性實施例中，包括纖維網(wǎng)眼的紗幕層(未示出)包括在電極中。紗幕層可以包括在活性材料和電荷收集器之間，和/或位于活性材料上方或者至少部分地嵌入在活性材料中。在各實施例中，紗幕層由具有上面討論的類型的毛細纖維形成。包括紗幕層的纖維可以預(yù)加載有例如以電極活性材料、碳(例如，石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維和/或CNT)、硅和/或酸為例的材料。在各示例性實施例中，所述紗幕層由碳形成和 /或涂覆或者灌注有碳，以有助于改善電容和導(dǎo)電性(例如，在海綿鉛和碳電容器電極中)。 在其它實施例中，紗幕層涂覆或者灌注有碳和鉛氧化物，以形成雙電化學(xué)電池電極和EDLC。 紗幕層可以按照各種模式由編織或者非編織網(wǎng)眼形成，以調(diào)節(jié)紗幕粘附和/或支撐活性材料的能力。在各示例性實施例中，可以利用紗幕層作為收集器柵格的一部分，纖維直接耦合或者連接到或者以其它方式形成或者有助于形成板連接器。圖8示出了至少部分地設(shè)置(例如，涂覆)有碳例如，石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維或者CNT)以及位于其表面的至少一些(例如，內(nèi)部表面)上的電解質(zhì) 2M的示例性纖維241的截面圖。在各實施例中，纖維241也灌注有電解質(zhì)中并且至少部分由電極活性材料223圍繞。在各實施例中，具有形狀的纖維241之間的平均距離大致為電池電極的厚度的一半。然而，可以利用其它間距。根據(jù)各示例性實施例，電池單元包括電極，所述電極具有延伸進入和/或經(jīng)過該電極的毛細纖維(例如，高表面面積纖維)。在各示例性實施例中，毛細纖維有助于將電解質(zhì)汲入到電極中(例如，到電極的內(nèi)部)以有助于改善孔隙率，增加電極的有效表面面積。 在各示例性實施例中，所述纖維還通過用作膠粘或者加強纖維來有助于維持電極的結(jié)構(gòu)完整性(例如，防止由電池循環(huán)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)降級)。根據(jù)各示例性實施例，電池單元230包括加載有電極活性材料(例如，鉛基膏)的毛細纖維的陣列225 (圖9中示出了一個示例性纖維的截面)。在各實施例中，纖維陣列225 基本上浸入在電解質(zhì)2M溶液中。纖維陣列225可以是任意形式(例如，松散纖維、編織或者非編織的氈、捆等等)。在各實施例中，例如如圖10所示，纖維陣列225可以用作電極的電流收集器，一些加載有陽極活性材料并且另一些加載有陰極活性材料。在各示例性實施例中，利用這樣的纖維制造的電極可以有助于降低所需的鉛量，縮短或者消除干燥工藝，不需要粘合劑，和/或增加導(dǎo)電性。根據(jù)各示例性實施例，可以在所示的各實施例中的任意一個中向纖維添加碳(例如石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維和/或CNT)以獲得來自該纖維的EDLC效應(yīng)。 碳添加劑有助于生成用于EDLC的碳-電解質(zhì)界面。在各示例性實施例中，向纖維添加CNT 還增加了沿著纖維的導(dǎo)電性。在各示例性實施例中，所述纖維包含碳并且是電化學(xué)電池電極的一部分以形成非對稱電容器。根據(jù)各示例性實施例，圖11A-11C示出了電極的構(gòu)造。在各實施例中，毛細纖維設(shè)置(例如，加載)有電極活性材料。碳添加劑也可以加載在纖維上。所述纖維還可以至少部分地覆蓋有電池間隔體。在各示例性實施例中，如圖IlA所示，設(shè)置電荷收集器201(例如， 柵格、板或者絲網(wǎng))。電荷收集器至少部分地設(shè)置或者涂覆有電極纖維222，如圖1IB進一步所示。纖維可以設(shè)置在電荷收集器的一側(cè)或者兩側(cè)上，和/或耦合到端子。在各實施例中， 如圖IlC所示，纖維222至少在其與電荷收集器接觸的外部表面上部分地設(shè)置有電極活性材料223(例如，外部電極活性材料可以與加載在纖維內(nèi)部的電極活性材料極性相反)。所示的電荷收集器是鉛柵格或者絲網(wǎng)形式的正收集器，但是其可以是任意的電荷收集器或者基底。在一些實施例中，所述電荷收集器是制造在導(dǎo)電毛細纖維的至少一部分中的氈?？梢詽撛诘厥褂萌魏魏线m或者適合的間隔體材料。在各示例性實施例中，設(shè)置在纖維內(nèi)部上的活性材料與涂覆在外側(cè)上的不同(例如，陰極活性材料對陽極活性材料)。在各替代實施例中，除了或者代替圖IlB和IlC所示的長纖維，可以在一個或者多個電池柵格上設(shè)置短纖維片。在各實施例中，也可以以用于有助于支撐活性材料的“浮置結(jié)構(gòu)”設(shè)置或者施加纖維。如圖12A所示，根據(jù)各示例性實施例，電池單元包括涂覆有陽極或者陰極活性材料223的毛細纖維Ml。如圖12B所示，纖維241至少部分地與電池間隔體的保護殼或者外套206絕緣。在各示例性實施例中，如圖12C所示，纖維241形成為氈222(例如，編織的或者非編織的)，包括大致相等或者類似量的陽極和陰極。在其它示例性實施例中，電池單元可以形成有單獨的僅陽極氈和僅陰極氈。根據(jù)一些示例性實施例，電極活性材料膏設(shè)置(例如，混合)有碳，例如以石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維、CNT或者涂覆有石墨的CNT為例的碳，以有助于生成電極內(nèi)碳的矩陣?？梢岳缭O(shè)置碳纖維以增加電極活性材料的結(jié)構(gòu)強度，電極的孔隙率和/ 或電極用作EDLC的能力。根據(jù)各示例性實施例，通過制造碳納米纖維或者CNT(單壁或者多壁)和水(例如，超聲擴散)或者鉛粉(例如，通過擠壓機擴散)的母料并且設(shè)置(例如，混合或者融合)具有用于形成電極活性材料混合物膏的電極活性材料的母料來制造電極。在各實施例中，將所述膏施加或者以其它方式設(shè)置在電極基底的至少一部分上，并且干燥和/或允許干燥以形成電極板。這可以通過各種方法實現(xiàn)，例如包括在基底上滾壓混合物。在各示例性實施例中，在整個電極上基本一致地擴散碳。碳纖維可以具有各種尺度并且在各種濃度中使用(例如，電極混合物的重量大約0. 05到5% )。在各示例性實施例中， 碳纖維的添加在不降低其電化學(xué)電池容量的同時增加了 EDLC的電容。在各示例性實施例中，碳纖維還改善了電極的結(jié)構(gòu)完整性。在各實施例中，纖維可以由經(jīng)歷電化學(xué)摻雜(例如，P摻雜或者N摻雜)的導(dǎo)電或者導(dǎo)電聚合物制成，從而用作電解質(zhì)電容器。在各實施例中，兩種類型的電極(例如，陽極和陰極)可以由能夠進行P摻雜或者N摻雜的相同材料(例如III型)構(gòu)成從而用作電解質(zhì)電容器。在各實施例中，可以向電極添加至少部分由導(dǎo)電聚合物形成的纖維形成的紗幕氈以提供EDLC功能性。在各示例性實施例中，使用微纖維形成功率存儲設(shè)備。出于本公開的目的，“微纖維”是具有大約1.5或者更少的每單絲旦數(shù)(dpf)的任何纖維。這種類型的纖維有時也被稱為“微旦數(shù)”。微纖維可以具有任意的截面形狀，包括圓形。除了或者代替具有形狀的纖維，可以在上述實施例的任意一個中使用微纖維。由于微纖維相對于其體積的大表面面積， 微纖維在毛細液體方面尤其有效。微纖維可以由聚合物(例如，聚酯纖維、聚丙烯、聚乙烯、 和/或聚乙烯對苯二酸鹽)制成。微纖維在織物中的使用是已知的。例如，在美國專利6，627，025、7，160，612和 7，431，869 中以及 John F. Hagewood, Ultra Microfibers :Beyond Evolution, Http: //www, hillsinc. net/Ultrabeyond. shtml中公開了示例性微纖維，這里以引用的方式并入其全部內(nèi)容。這些類型的微纖維可以在所公開的功率存儲設(shè)備中使用，無論是否形成為纖維或者氈。在一些示例性實施例中，通過拉長和處理2-4dpf范圍內(nèi)的雙組件細絲并且之后將該細絲劃分為具有0. 1或者更低dpf的微纖維來形成微纖維。圖13示出了具有大致3dpf 的雙組件細絲。在第二組件的矩陣中存在第一組件的64個微纖維。在該實施例中，所述雙組件細絲是大致80%的微纖維和20%的矩陣。由于雙組件細絲的dpf為3，因此所述拉長可以與用于標準共聚物纖維的相同。通過分解出矩陣組件將微纖維與矩陣組件分離，可以在細絲和/或微纖維形成為氈或者其它功率存儲設(shè)備結(jié)構(gòu)之前或者之后執(zhí)行該工藝。圖14 示出了使用分解出矩陣組件的上述技術(shù)形成的每細絲具有1120個微纖維的雙組件細絲， 將所述雙組件細絲的一部分分離為微纖維。
在各示例性實施例中，通過拉長2_4dpf雙組件紗線細絲形成微纖維，所述拉長通過使用常規(guī)的技術(shù)進行。在各示例性實施例中，將中性腐蝕劑施加到紗線使單個的微纖維與雙組件紗線細絲分離。圖15示出了根據(jù)該技術(shù)制造的具有大約0. Idpf的微纖維。在一些示例性實施例中，在不使用腐蝕劑的情況下將紗線細絲分離為微纖維?？梢栽诓皇褂酶g劑的情況下劃分例如在圖16中示出的可劃分的空纖維。在各示例性實施例中，拉長聚酯纖維/聚乙烯細絲并且之后進行劃分。圖15示出了在處理之前具有198個 3-dpf細絲的細絲。在各示例性實施例中，機械地抽出細絲以產(chǎn)生具有大約0. 2dpf的3168 個微纖維。在各示例性實施例中，并且如圖17所示，微纖維由具有第一聚合物芯以及在三葉型或者德爾塔截面細絲的尖端上較小量的第二聚合物的雙組件細絲形成。在圖17所示的實施例中，芯聚合物是可熔化拉長的聚亞安酯并且尖端是聚乙烯。兩種聚合物的比值是大致70%的聚亞安酯與30%的聚乙烯。如圖所示，使用標準的完全取向紗線拉長/抽拉工藝制造細絲并且所述細絲具有大致3的dpf。在拉長之后，在各示例性實施例中，扭轉(zhuǎn)細絲并且進行濕熱處理以有助于產(chǎn)生諸如如圖17所示的細絲。與形成具有大約0. 2或者更少dpf 的微纖維的芯分離的尖端在細絲芯周圍呈螺旋形。細絲芯還可以在加熱處理期間收縮。在各示例性實施例中，以“初始形式”、碳化和/或預(yù)涂覆有工程材料(例如，金屬、 碳(例如石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維和/或CNT)、硅、錫氧化物和/或酸)的形式使用微纖維。在各示例性實施例中，利用各種方法和方式預(yù)處理微纖維。預(yù)涂覆的材料可以包括納米級材料，例如以納米纖維和納米管為例?？梢酝ㄟ^經(jīng)由擴散和漿液形式的溶劑(例如，通過水、酸或者其它溶劑)的沉積、通過噴涂、或者通過浸入微纖維(例如，在導(dǎo)電金屬中)來施加涂層。例如，可以形成微纖維的許多材料具有比鉛基電極活性材料更高的熔點。因而，可以通過將微纖維浸入熔化的活性材料中并且允許所述活性材料變硬、固體化和/或關(guān)于微纖維的其它形式將鉛基活性材料施加到微纖維。微纖維可以由各種材料構(gòu)成，包括導(dǎo)電材料和/或電介質(zhì)材料。在各實施例中，微纖維由兩種或者更多材料制成(例如，導(dǎo)電芯和電介質(zhì)表面)。微纖維可以在其芯中或者在內(nèi)部是導(dǎo)電的并且在其表面或者在外部是非導(dǎo)電的，這將允許芯用作由電介質(zhì)材料形成的電容器的電流收集器。這可以至少部分地通過例如使用電介質(zhì)涂覆導(dǎo)電微纖維來實現(xiàn)。在各示例性實施例中，微纖維涂覆有碳(例如石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維、和/或CNT)。碳材料可以涂覆或者以其它方式設(shè)置處于原始形式(即，沒有任何粘合劑材料)或者處于將已知量的粘合劑添加到碳中的合成物形式的微纖維上，以在微纖維上形成穩(wěn)定的多孔合成物。CNT、碳納米纖維以及碳須還可以在各種微纖維基底上生長。在各實施例中，微纖維段(例如，短的微纖維片)設(shè)置在一個或者多個電池柵格上。在各實施例中，將這樣制造的微纖維設(shè)置為可以用于有助于支撐活性材料的“浮置結(jié)構(gòu)，，。在各示例性實施例中，使用微纖維形成電池電極，其中所述微纖維被碳化或者石墨化，并且涂覆或者以其它方式設(shè)置有活性材料。在各實施例中，微纖維由聚合物(例如， 聚烯羥)制成。在各示例性實施例中，設(shè)置(例如，施加到其表面)金屬顆粒(例如，鎳、鐵、 鈷、鉬)，這可以通過任何適合的方式實現(xiàn)，例如以噴涂為例。在各實施例中，金屬顆粒是其上可以形成或者生長碳纖維(例如，CNT)的基底或者種子。在各示例性實施例中，例如通過在碳微纖維/納米管束周圍和/或經(jīng)過該碳微纖維/納米管束按壓或者滾壓活性材料而在微纖維周圍設(shè)置或者施加活性材料。在各示例性實施例中，使用電解質(zhì)溶液使所述捆變濕。在該工藝的任意點處，可以將單個的微纖維形成為捆或者氈，這可以是編織或者非編織的。單個的微纖維可以是直的或者非直的。在各示例性實施例中，所述微纖維可以是纏繞纖維、環(huán)路纖維、卷曲纖維、透氣纖維、或者這些和其它形狀的組合。在各示例性實施例中，將所述微纖維設(shè)置或者以其它方式形成為氈(例如，編織的、非編織的、或者點接合)。在各實施例中，在微纖維氈上設(shè)置(例如，涂覆)活性材料 (例如，鉛氧化物)，以形成用于電化學(xué)電池的電極。所述微纖維還可以涂覆有碳或者納米管(并且在至少一些實施例中，從而用作EDLC)。這樣的實施例可以有助于增加壽命周期， 生成高的界面面積從而增加用于活性電極的雙層電容，有助于優(yōu)化電荷接受力和/或高速放電，和/或改善活性材料的轉(zhuǎn)換效率(例如，初始電荷)。在各示例性實施例中，插入、混合或者以其它方式與活性材料一起設(shè)置微纖維的片(例如，短片)。可以將短微纖維片和活性材料的混合物設(shè)置(例如，涂覆)在常規(guī)的電荷收集器(例如，柵格、板或者絲網(wǎng))上或者纖維氈上。在各示例性實施例中，可以將短長度的微纖維粘附到電荷收集器的表面，以形成毛絨短纖維結(jié)構(gòu)來支撐活性材料。在活性材料中包括短微纖維片有助于增加電極的孔隙率和/或反應(yīng)性，這有助于降低形成電極所需的活性材料的量。如果將微纖維片涂覆在碳中，則也可以在EDLC中使用電極。在各示例性實施例中，包括微纖維網(wǎng)眼的紗幕層包括在電極中。紗幕層可以包括在活性材料和電荷收集器之間，和/或位于活性材料上方或者至少部分地嵌入在活性材料中。在各實施例中，紗幕層由上面討論類型的微纖維形成。包括紗幕層的微纖維可以預(yù)涂覆有例如以活性材料、碳、硅、石墨和/或酸為例的材料。在各示例性實施例中，紗幕層由碳形成和/或涂覆有或者灌注有碳，以有助于改善電容和導(dǎo)電性(海綿鉛和碳電容器電極)。 在其它實施例中，紗幕層涂覆或者灌注有碳和鉛氧化物，以形成雙電化學(xué)電池電極和EDLC。 紗幕層可以由各種模式的編織的或者非編織的網(wǎng)眼形成，以調(diào)節(jié)紗幕粘附和/或支撐活性材料的能力。在各示例性實施例中，紗幕層可以用作具有微纖維的收集器柵格或者其一部分，所述微纖維直接耦合或者連接到或者以其它方式形成或者有助于形成板連接器。根據(jù)各示例性實施例，電池單元包括電極，所述電極具有延伸進入和/或經(jīng)過該電極的微纖維。在各示例性實施例中，微纖維有助于將電解質(zhì)汲入到(例如，到電極的內(nèi)部)電極(例如，活性材料)，以有助于改善孔隙率，增加電極的有效表面面積。在各示例性實施例中，微纖維也通過用作傳遞或者加固纖維來有助于維持電極的結(jié)構(gòu)完整性(例如， 在電池進行充電和放電時)。根據(jù)各示例性實施例，電池單元包括涂覆有活性材料(例如，膏)的微纖維的陣列。在各實施例中，微纖維基本上浸入在電解質(zhì)溶液中。微纖維陣列可以是任何形式(例如，松散纖維、編織的或者非編織的氈、捆等等)。在各實施例中，微纖維用作電極(例如，導(dǎo)電電流)，一些微纖維陣列涂覆在陽極活性材料中并且其它微纖維陣列涂覆在陰極活性材料中。在各實施例中，微纖維可以由經(jīng)歷電化學(xué)摻雜(例如，P摻雜或者N摻雜)的導(dǎo)電或者導(dǎo)電聚合物制成，從而用作電解質(zhì)電容器。在各實施例中，兩種電極類型可以由能夠進行P摻雜或者N摻雜的相同材料(例如，類型III)制成，從而用作電解質(zhì)電容器。在各實施例中，可以將至少一部分由導(dǎo)電聚合物制成的微纖維形成的紗幕氈添加到電極中，以向該電極提供EDLC功能性。如這里所使用的，術(shù)語“大致”、“大約”、“基本上”以及類似術(shù)語旨在具有與本公開的主題所涉及的領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的普通和可接受使用相一致的寬泛含義。瀏覽本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，這些術(shù)語旨在允許對所描述和請求保護的某些特征進行描述，而并非將這些特征的范圍限制到所提供的精確數(shù)字范圍。因此，應(yīng)該將這些術(shù)語解釋為表明考慮將所描述和請求保護的主題的非實質(zhì)或者不必要的修改或者變化落入在所附權(quán)利要求中引述的本發(fā)明的范圍內(nèi)。出于本公開的目的，術(shù)語“耦合”表示兩個部件直接或者間接地彼此接合。這種接合可以在本質(zhì)上是靜止的或者可移動的。這種接合可以利用兩個部件，或者兩個部件和彼此一體形成為單個整體的任何附加的中間部件，或者兩個部件和彼此附接的任何附加的中間部件實現(xiàn)。這種接合可以在本質(zhì)上是永遠的，或者在本質(zhì)上是可去除或者可釋放的。術(shù)語“耦合”包括在允許電流在這些部件之間流動的兩個部件之間生成連接。同樣重要的是應(yīng)該注意，如在各示例性實施例中所示的，電功率存儲設(shè)備的構(gòu)造和設(shè)置僅是說明性的。盡管在本公開中僅詳細描述了幾個實施例，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易意識到，在不實質(zhì)上偏離這里描述的主題的新穎性教導(dǎo)和優(yōu)點的情況下，許多修改都是可能的(例如，尺寸變化、尺度、結(jié)構(gòu)、各種元件的形狀和比例、參數(shù)值、安裝構(gòu)造、 材料的使用、顏色、取向等等)。例如，表示為一體形成的元件可以由多個部件或者元件構(gòu)成，可以反向或者以其它方式改變元件的位置，并且可以修改或者改變離散元件的本質(zhì)和數(shù)量或者位置。根據(jù)可選實施例可以改變或者重新排序任意工藝或者方法步驟的順序或者序列。在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對各示例性實施例的設(shè)計、操作條件和構(gòu)造進行其它替代、修改、改變和省略。
權(quán)利要求
1.一種功率存儲設(shè)備，包括至少一個正電極；至少一個負電極；以及至少一個間隔體，其將正電極與負電極分隔開；其中所述至少一個負電極或者至少一個正電極中的至少一個包括高表面面積纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維是具有形狀的纖維。
3.如權(quán)利要求1所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維是微纖維。
4.如權(quán)利要求1-3中的任一項所述的功率存儲設(shè)備，其中所述至少一個負電極包括高表面面積纖維。
5.如權(quán)利要求1-4中的任一項所述的功率存儲設(shè)備，其中所述至少一個正電極包括高表面面積纖維。
6.如權(quán)利要求1到5中的任一項所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維涂覆有碳添加劑。
7.如權(quán)利要求1到6中的任一項所述的功率存儲設(shè)備，其中所述至少一個負電極包括涂覆有碳添加劑的高表面面積纖維。
8.如權(quán)利要求1到7中的任一項所述的功率存儲設(shè)備，其中所述碳添加劑包括石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維或者碳納米管中的至少一種。
9.如權(quán)利要求1到8中的任一項所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維是具有形狀的纖維。
10.如權(quán)利要求1到9中的任一項所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維形成為氈。
11.如權(quán)利要求1至電導(dǎo)體。
12.如權(quán)利要求1至電絕緣體。
13.如權(quán)利要求1至涂覆在電極活性材料中。
14.一種電極，包括電荷收集器柵格；涂覆在所述電荷收集器柵格上的電極活性材料；以及高表面面積纖維。
15.如權(quán)利要求14所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維是具有形狀的纖維。
16.如權(quán)利要求14所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維是微纖維。
17.如權(quán)利要求14到14中的任一項所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維涂覆有碳添加劑。
18.如權(quán)利要求14到17中的任一項所述的電極，其中所述電極是正電極。
19.如權(quán)利要求14到18中的任一項所述的電極，其中所述電極是負電極。
20.如權(quán)利要求14到19中的任一項所述的電極，其中所述碳添加劑包括石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維、或者碳納米管中的至少一種。
21.如權(quán)利要求14到20中的任一項所述的電極，其中所述高表面面積纖維是具有形狀的纖維。
22.如權(quán)利要求14到21中的任一項所述的電極，其中所述高表面面積纖維形成為氈。
23.如權(quán)利要求14到22中的任一項所述的電極，其中所述高表面面積纖維是電導(dǎo)體。
24.如權(quán)利要求14到23中的任一項所述的電極，其中所述高表面面積纖維是電絕緣體。
25.如權(quán)利要求14到M中的任一項所述的電極，其中所述高表面面積纖維被涂覆在電極活性材料中。
26.—種電極，包括電荷收集器，所述電荷收集器包括高表面面積纖維的氈；以及涂覆在所述氈上的電極活性材料。
27.如權(quán)利要求沈所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維是具有形狀的纖維。
28.如權(quán)利要求沈所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維是微纖維。
29.如權(quán)利要求沈到狀中的任一項所述的功率存儲設(shè)備，其中所述高表面面積纖維涂覆有碳添加劑。
30.如權(quán)利要求沈到四中的任一項所述的電極，其中所述電極是正電極。
31.如權(quán)利要求沈到30中的任一項所述的電極，其中所述電極是負電極。
32.如權(quán)利要求沈到31中的任一項所述的電極，還包括涂覆在所述高表面面積纖維上的碳添加劑。
33.如權(quán)利要求32所述的電極，其中所述碳添加劑包括石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、 碳納米纖維或者碳納米管中的至少一種。
34.如權(quán)利要求沈到33中的任一項所述的電極，其中所述高表面面積纖維是具有形狀的纖維。
35.如權(quán)利要求沈到34中的任一項所述的電極，其中所述高表面面積纖維形成為氈。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電功率存儲設(shè)備，所述功率存儲設(shè)備包括涂覆有碳(石墨、膨脹石墨、活性碳、碳黑、碳納米纖維、CNT或者石墨涂覆的CNT)的高表面面積纖維(例如，具有形狀的纖維和/或微纖維)；電解質(zhì)；和/或位于電極中的電極活性材料(例如，鉛氧化物)。所述電極用于形成諸如電化學(xué)電池、電化學(xué)雙層電容器以及非對稱電容器的電存儲設(shè)備。
文檔編號H01M4/60GK102217124SQ200980146053
公開日2011年10月12日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者D·A·韋策爾, E·邁斯納, J·S·西曼斯基, R·G·格倫斯特恩, R·M·斯特金, R·蘇巴拉曼, W·J·弗魯克 申請人:約翰遜控制技術(shù)公司