專利名稱：用于電池的集電流體的多重導(dǎo)電基體的制作方法
用于電池的集電流體的多重導(dǎo)電基體
背景技術(shù)：
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及到電池的集電流體/電極和生產(chǎn)集電流體/電極的方法。相關(guān)技術(shù)說明早自19世紀末鉛酸電池開始于市面上銷售以來電池的電極就已經(jīng)由涂膏的板制成。這種板，被稱為"集電流體"，通常有一個由多孔基體作為支撐基底，如金屬網(wǎng)格，或稱為板柵。傳統(tǒng)的網(wǎng)格是由鉛合金所組成，其上的孔洞填滿了如紅鉛混合物和33%稀釋硫酸的電活性膏，也可稱為活性化合物，亦稱為鉛膏。這種將電活性膏施作于集電流體的過程稱為"涂膏"。在這里使用的術(shù)語"基體"，指的是集電流體的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將電活性膏施作于其上的地方。這種基體可以被描述或分類為、在其一部分的比表面積、通常以單位m2/m3表示。術(shù)語"基底物質(zhì)"和"基體物質(zhì)"指的是多孔物質(zhì)構(gòu)成的基體。最近有一些尋找以非金屬基體基材來做為比以鉛質(zhì)網(wǎng)格為更適合做為集電流體的嘗試。目標是要找到一個堅固，重量輕的多孔基材，能在惡劣的環(huán)境維持和電活性膏的結(jié)合，并使得其運用條件能夠廣泛的應(yīng)用在電池方面。Kelley等人，美國專利號 6979513(" Kelley")，描述了以泡沫碳做為電池集流體的使用。Gyenge等人在美國專利號7060391(" Gyenge")教導(dǎo)人將一層鉛錫合金沉積于泡沫碳，來做為鉛酸蓄電池的集電流體。這些方法可以提高正極活性物質(zhì)的使用效率和電池的能量密度。然而，為了改善電流分布和結(jié)構(gòu)完整性，Kelley和Gyenge使用集流體如鑄固體鉛或鉛合金框和/或鉛的連接器-也稱之為“耳“。這些鉛框和/或耳都比較重，使得使用泡沫碳來達到減輕的任何重量都被抵銷。因此，基本上功率密度并沒有增加甚至?xí)撛鲩L，而能量密度只會得到小幅度的改善。同樣的，目前使用在鎳金屬氫化物電池中的集電流體，其重量也相對較高。另外一個缺點是，碳泡沫非常脆弱并缺乏結(jié)構(gòu)完整性，使得制造電池的工藝如涂膏和電池組裝變得復(fù)雜。例如，雖然有碳泡沫基體比金屬基底的網(wǎng)格要輕得多，但是Gyenge 類型的碳泡沫集流體的厚度必須要比傳統(tǒng)鉛格厚，來保持碳泡沫的結(jié)構(gòu)完整性與強度。因此，這種厚的集流體，使得可以用于內(nèi)部并聯(lián)和串聯(lián)的集流體數(shù)量，將會比使用于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的鉛網(wǎng)格少。這意味著，當鉛酸蓄電池使用Gyenge類型的集流體時，會有低于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的功率密度。類似的缺陷也同樣存在于當前其他類型的集電流體。例如，目前在鋰離子電池中使用的金屬箔集電流體，至少有下列兩個問題1)鑒于在電池中，是將一層非常薄的陰極材料施作于做為集電流體的金屬片上，其搭載的陰極材料量低，以至于電池容量受到了限制。2、如鋰鈷，鋰錳和磷酸鐵鋰等陰極材料的不良導(dǎo)電性，使得熱失控發(fā)生的可能與風(fēng)險大幅增加。例如，當一個如銅或鎳的微量雜質(zhì)混入陰極材料，它可以使得電流集中到一個地方，在正極板和負極板之間造成相當大量的電流，而導(dǎo)致了電氣短路的發(fā)生。從以上討論中，很明顯的我們需要一個基體，它是由超輕材料組成，同時能提供足夠的剛度和強度，以作為集電流體的基底。因此，本發(fā)明提供了一種新的，并且是非顯而易見的多重導(dǎo)電基體(MCM)，來做為集電流體，可以用來提高電池的功率密度，能量密度，以及導(dǎo)電性，并且加強電池的安全性。
發(fā)明概要為了清楚明確起見，在此提供一個本項發(fā)明的簡要概述，以闡明某些技術(shù)名稱要如何使用?！盎w基質(zhì)"，這是一個構(gòu)成基體的材料，是可以分割成一個框架和一個本體。 技術(shù)上來說，框架通常包括一個被稱為“連接器“或”極耳”的耳狀凸出。框架部分和本體部分組成了擁有兩個區(qū)域的基體-一個本體和一個框架，而框架包圍了本體。該框架可能還包括一個或多個通過本體的帶狀區(qū)域。本基體經(jīng)過導(dǎo)電材料的處理。在經(jīng)過導(dǎo)電處理后，由于集電流體的上不同的比表面積，或是因不同的導(dǎo)電材料應(yīng)用方式或應(yīng)用不同的導(dǎo)電材料，集電流體的框架和本體有不同的導(dǎo)電率。因此，這樣的基體稱為“多重導(dǎo)電基體“或 “MCM”。這種基體一但具有導(dǎo)電性就視為集電流體，因此也被稱為一個“多重導(dǎo)電基體的集電流體“。這個多重導(dǎo)電基質(zhì)的集電流體，在與電活性化合物接合，填補基體上的孔洞后，可以轉(zhuǎn)換成電池的電極。視基體的基質(zhì)而定，這種涂布電活性化合物的過程可以在基體上施加一層結(jié)合涂層來完成。這個涂布了活性化合物的集電流體，一旦經(jīng)過固化，裁切，并完善后就成為電極。根據(jù)不同的制造工藝和使用材料細節(jié)，所產(chǎn)生的電極可以使用在不同類型的電池，包括鉛酸蓄電池，鋰鐵離子電池，和鎳金屬氫化物電池，作為這些電池的陽極或陰極。因此，產(chǎn)生了一個具有多重導(dǎo)電基體的集電流體，可以用來做為陽極和陰極的電極。多重導(dǎo)電基體的集電流體是由一個超輕量的基底組成，如網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料(RPUF)。 在用導(dǎo)電材料處理后，使其具有導(dǎo)電性。這個導(dǎo)電基質(zhì)，或是集電流體，在施加一層金屬或金屬合金涂層并與電活性化合物結(jié)合。該網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料基質(zhì)與傳統(tǒng)的集電流體相比，包括使用碳泡沫的集電流體，具有較高比表面積以及輕量的優(yōu)勢。本多重導(dǎo)電基體的集電流體的發(fā)明，是至少可能有兩個地區(qū)，其一個地區(qū)是有別于另一個地區(qū)，通常是一個框架區(qū)域，比其所包圍的本體有更強固。這提供了集電流體在維持其結(jié)構(gòu)完整性時所需要的力量?？蚣芎捅倔w部位也可能有不同的導(dǎo)電性，框架部位將會比本體部位有較高的導(dǎo)電性。這種導(dǎo)電性的差異增強了電極和電池的導(dǎo)電功能參數(shù)?？蚣懿糠肿詈檬沁B續(xù)的以耳狀突出在框架上向外延伸，使得多數(shù)的集電流體可以導(dǎo)電的相互鏈接在一起。由于沒有必要另外的將耳狀突出加到已知的集電流體上，除非另有需要，為了便于闡述，除非另有說明，“框架“和“框架區(qū)域“被理解為包括耳狀突出部分。一旦導(dǎo)電材料應(yīng)用到基體上，多重導(dǎo)電基體在不同地區(qū)的比表面積決定了基體在該地區(qū)的導(dǎo)電性。我發(fā)現(xiàn)，如下文所披露的，經(jīng)過合宜的選擇和制備聚合物作為基體物質(zhì)， 如果一個基體的框架區(qū)域和本體區(qū)域相比具有相對于較高的比表面積時，電流的電傳導(dǎo)性質(zhì)將會得到加強，同時框架區(qū)域的密度和強度將會比本體區(qū)域更高。因此，這樣的框架將可以提高電極的電流傳送，同時對電極提供了結(jié)構(gòu)支撐。這使得人們可以免除使用傳統(tǒng)的鉛框。如同以下披露所示，如果框架包含一個或多個通過本體區(qū)域的帶狀結(jié)構(gòu)，這些優(yōu)點將可以加倍增加。在此也披露一種制造多重導(dǎo)電基體集電流體的方法。該方法具體的包括(一)在如同網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料的基體基底上，形成了第一個組件來做為框架，包括耳狀的突起。(二 )從基體物質(zhì)形成了第二個組件來做為本體，其中本體的比表面積將會大于或小于框架的比表面積。(三)將框架組件安裝于本體組件上，使產(chǎn)生的有框基體的框架和本體部位有彼此不同的比表面積。這種多重導(dǎo)電基體在將導(dǎo)電材料應(yīng)用到基體后將轉(zhuǎn)換為集電流體。所產(chǎn)生的集電流體，將視該區(qū)域的比表面積，在不同的區(qū)域具有不同的導(dǎo)電性。在基體上可以涂布一層結(jié)合性的材料來提高與電活性化合物涂層的接合效果。這個由框架與本體組裝而成的基體與涂布電活性化合物涂層接合后，這種集電流體將轉(zhuǎn)換成一個在框架區(qū)域和本體區(qū)域有著不同導(dǎo)電性的電極。一般來說，如果框架的導(dǎo)電性系數(shù)比本體更大時，將最為有利。另外一種多重導(dǎo)電基體集電流體的替代制作方法。該方法具體的包括(一)在基體基底上，形成了第一個組件來做為框架，包括耳狀的突起。(二)從基體物質(zhì)形成了第二個組件，做為本體，其中本體將裁切至與框架有著相同的外部尺寸。(三)將框架組件的一面與本體組件的一面并列放置(四)將框架組件與本體組件壓縮，產(chǎn)生一個框架區(qū)域比本體地區(qū)擁有較高比表面積的多重導(dǎo)電基體，以及(五)運用導(dǎo)電材料到基體使得產(chǎn)生的集電流體的框架導(dǎo)電性大于本體。之前段落中披露的這種集電流體器制成電極的方式，將在下面詳述。另外一種多重導(dǎo)電基體集電流體的替代制作方法。該方法具體的包括(一)由基體基底上形成第一個組件。(二)由基體基底的一邊或多邊向內(nèi)折疊后，形成一個具有雙倍厚度的兩層，(三)切割一個雙層的邊緣以形成耳狀突起，(四)將折疊過的雙層區(qū)域壓縮在一起，以形成框架區(qū)域(折迭過的區(qū)域)和本體地區(qū)(沒有折迭的區(qū)域)，因此，框架地區(qū)擁有比本體區(qū)域較高的比表面積，(五)將導(dǎo)電材料施作于基體以產(chǎn)生一個框架導(dǎo)電性大于本體的集電流體。有一些已知的方法可以用來使基體基底導(dǎo)電。其中一個例子是以酸蝕刻的方式將金屬鹽沉積至基體表面后加以電鍍。另外，可以在基體物質(zhì)的表面噴涂一層導(dǎo)電涂料或離子。在另一個例子中，可以將基體物質(zhì)炭化已達到導(dǎo)電的效果。這些不同的方法可以對本體和框架以不同的方式進行，以便提供或加強導(dǎo)電性的差異。為了提高涂膏和基體物質(zhì)的結(jié)合效果，施加金屬或金屬合金可以通過下列各種方法之一來進行，如化學(xué)鍍，電鍍，金屬射出成型和擠壓，以及化學(xué)氣相沉積。對集電流體的涂膏方式可以由目前已知的各種方法中來進行。由本發(fā)明多重導(dǎo)電基體構(gòu)成的電極優(yōu)點很多，但是它們在相關(guān)功率密度的優(yōu)勢特別明顯，例如，由泡沫炭組成的電極。對于鉛為基礎(chǔ)的電池，本發(fā)明有減少電池重量，改進的結(jié)構(gòu)完整性，增加能量密度和功率密度等成果。鑒于現(xiàn)有的泡沫碳電極性能表現(xiàn)落于傳統(tǒng)的鉛電極之后，本發(fā)明提供的多重導(dǎo)電基體電極的性能表現(xiàn)大幅超越了泡沫碳電極和鉛電極。在鋰離子電池中，本發(fā)明多重導(dǎo)電基體構(gòu)成的電極改善了陰極活性物質(zhì)承載量容積負荷，提高了電池容量，并加強了集電流體和陰極材料之間的電接觸，從而減少了熱失控的危險。對于鎳金屬氫化物電池，本發(fā)明目前的主要成果在減少鎳的使用量。在未經(jīng)改變其本質(zhì)特征下，本發(fā)明可以體現(xiàn)在其他不同類型的電池應(yīng)用上。簡要圖紙說明為了容易理解本發(fā)明的優(yōu)點，在附圖中作簡單的具體圖標說明。要被理解的是，這些圖畫所描繪的只是本人以目前所知最佳的制造和使用方式來對本發(fā)明做的一個典型體現(xiàn)。許多有用的實施方案中載于附加的權(quán)利要求中。這些圖畫中的組件不一定以比例繪制。

圖1是依照本發(fā)明的單隔間多重導(dǎo)電基體的垂直剖面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的單隔間多重導(dǎo)電基體的一種替代性剖面圖；圖3是一個根據(jù)本發(fā)明的三隔間多重導(dǎo)電基體的剖視圖；圖4是一個用來展示制作本發(fā)明多重導(dǎo)電基體電極的流程圖。圖5是一個在制作本發(fā)明多重導(dǎo)電基體、框架部件和本體部件結(jié)合時的平面視圖。圖6是圖5剖面圖。圖7是在將框架部件壓入本體部件后圖6的剖視圖。圖8A-C是本發(fā)明一個經(jīng)由折疊邊緣來產(chǎn)生框架的多重導(dǎo)電基體的平面圖。發(fā)明的詳細說明結(jié)構(gòu)在此提及來具體化實現(xiàn)本發(fā)明有關(guān)的內(nèi)容，步驟，特點，和優(yōu)勢，并不意味著本發(fā)明受到這些內(nèi)容，步驟，特點和優(yōu)勢的限制，同時也并不表示他們是實現(xiàn)本發(fā)明的所有方法。相反的，這方面的語言被理解為是包括至少一個用來實現(xiàn)本發(fā)明的特定元素，步驟，特征，或優(yōu)勢。為了清晰說明起見，在此不顯示或詳細描述有關(guān)于結(jié)構(gòu)，材料，或?qū)χ牟僮骷夹g(shù)上詳加解釋的。是為了避免模糊了本發(fā)明在許多新方面的創(chuàng)新。圖1是一個根據(jù)本發(fā)明多重導(dǎo)電基體100的單隔實例?；w有兩個不同的區(qū)域由不同的圖案表明本體110，框架120?？蚣芎捅倔w是由兩個如同網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料的基體基底切割成形，由以下披露的“方法”結(jié)合一起。組裝多重導(dǎo)電基體是一個單一的結(jié)構(gòu)體包括至少兩個不同比表面積的地區(qū)所組成。這將導(dǎo)致如下所述兩個不同導(dǎo)電率的地區(qū)。由于比表面積的差異，框架將比本體更強固，更僵硬。雖然本發(fā)明可適用于任何可能形狀的電池，在圖1所示的框架是長方形，有一個頂部121，一個相對的底部122，一個第一邊123，和在其相對應(yīng)的第二邊124。為了說明清楚，使用術(shù)語“頂“，“底部“和“邊”或“各邊“是用來和圖上的方向相對應(yīng)。在使用時，這些術(shù)語并不一定是指框架或電池的方向。極耳130由框架上向外凸出，并且在實體鏈接上與連續(xù)電傳導(dǎo)上，是在這個框架的一部分。最好是本體和框架是來自同一塊基底，然后經(jīng)過削切到適當?shù)拇笮『托螤?。眾所周知，極耳是用來提供集電流體之間的電流連續(xù)傳導(dǎo)的功用。在本發(fā)明之前的集電流體， 必須要使用各種勞動密集的技術(shù)，例如點焊，鑄造，等其他方法，將另行制作的極耳與集電流體連接。本發(fā)明一個新穎的，有益的做法是將框架和極耳在另一片基底材料切出，所產(chǎn)生的框架將包括極耳。如此一來將省下令行將極耳鏈接到集電流體所耗費的手續(xù)和時間。在圖1-3組裝完成的多重導(dǎo)電基體有一個長方形的橫截面，然而，本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍涵蓋不同形狀和數(shù)量。一般來說，基體的厚度遠小於基體的寬度或長度。構(gòu)成的基體，只要是可以組成產(chǎn)生有著不同導(dǎo)電性的數(shù)個不同的區(qū)域，任何基體物質(zhì)或物質(zhì)的組合，都可以適用。建議使用的基體基底為眾所周知的，現(xiàn)在在許多方面都有廣泛應(yīng)用的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料。網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料產(chǎn)生的方式是移除其孔隙上的薄膜，只留下完整的骨干結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的的開孔細胞。這種網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料的制造過程是眾所周知的。聚氨酯不具導(dǎo)電性，因此需要將一層導(dǎo)電涂料在網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料基體上沉積。涂層類型將取決于應(yīng)用的需求。例如，如果集電流體是使用于鉛酸蓄電池中，則建議使用鉛合金涂層。如果集電流體是使用于鋰離子電池，則可能建議使用鎳涂層。在一些應(yīng)用中，將不同類型的導(dǎo)電涂料施作于框架和本體上，或采用不同厚度的涂層，可能會得到最佳的效果。目標是建立或加強不同區(qū)域之間的導(dǎo)電性的差異。如上所述，一個電活性涂膏用于填充基體的間隙。此涂膏的成分視電池的類型而定。例如，對于一個鉛酸蓄電池的建議涂膏可能是鉛膏，氧化鉛膏，或鉛合金涂膏。對于鋰離子電池，建議在正極集電流體使用二氧化鈷鋰膏，在負極集電流體使用鋰碳膏。根據(jù)不同的基體基底，通常是希望或需要對基體先進行預(yù)處理，然后于將涂膏涂布在基體之前，在基體上施作一層可以提高基體和涂膏結(jié)合性的涂料。這種預(yù)涂膏處理的例子提供如下。通過操縱基體上不同區(qū)域的比表面積可以大幅提升集電流體的強度和性能表現(xiàn)。 例如，如果一個基體，其如本體Iio第一地區(qū)的比表面積，小于第二區(qū)域，如框架120和極耳 130的比表面積，則框架和極耳的電導(dǎo)率會比體的導(dǎo)電性更大。例如，在鉛酸蓄電池中，建議使用的具體的多重導(dǎo)電基體，其本體110的比表面積可能在1340-3^0m2/m3的范圍，而框架120和極耳130的比表面積則可能在^80-6560m2/ m3的范圍。對于鋰離子電池，本體的比表面積一般來說比鉛酸電池更高，例如，在 4750-6890m2/m3的范圍，而框架/極耳區(qū)域的比表面積則大約為其兩倍。一般來說，吾人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個令人滿意的，大約為1 2的本體框架的比表面積比，但是只要是閱讀和理解以下所披露的說明，可以避免不必要的試驗，而很容易地決定每個特定應(yīng)用的最佳比例。多重導(dǎo)電基體的尺寸理所當然的取決于電池的規(guī)格。在大多數(shù)情況下，預(yù)計鋰離子電池的多重導(dǎo)電基體的厚度在0. 3-0. 8毫米，深循環(huán)鉛酸蓄電池的厚度則為1. 6-3. 5毫米?；w在完成組裝后，框架和本體的厚度大致相同。當然，這些測量只是用來作為范例說明?；w的參數(shù)如孔密度，比表面積，厚度，寬度和長度將取決于所使用的材料和應(yīng)用的規(guī)格。圖2呈現(xiàn)了本發(fā)明一個多重導(dǎo)電基體200的實現(xiàn)方式。與圖1中不同的是，框架 220每一邊的尺寸不同。例如，框架的頂邊組件221由一塊不規(guī)則的多邊形組成，其寬度由右側(cè)向左側(cè)極耳230坐落的位置逐漸擴大。這個特點主要是提供圖1實現(xiàn)方式的減重方案， 同時提高電流最集中區(qū)域，也就是電流進出頻繁的極耳230，的耐腐蝕性能。圖2也說明了一點，框架的其他邊222，223，2M可能有不同的寬度。當選擇框架的寬度時，可以增加與極耳230接觸的框架邊224的寬度。這時框架邊222和223是相對的底邊和側(cè)邊。圖3說明了多重導(dǎo)電基體300的實現(xiàn)方式，其本體310區(qū)域被一個高比表面積條區(qū)301分割成多個低比表面積區(qū)域310a和310b。這個屬于框架的一部分，由框架延伸出的條區(qū)，從框架323距離極耳330最遠的一個角落對角橫跨到距離極耳最接近的角落。這種條塊分割的本體的優(yōu)點是，它提高了基體整體和潛在橫跨基體的電流分布特性，特別是對大的集電流體的設(shè)計而言。如圖3所示，提供一個對角線分隔帶，將可提高集電流體上距離極耳330最遙遠部位到極耳的電流流量。帶區(qū)，框架的各邊，以及極耳擁有同樣的比表面積，因此，基體經(jīng)過增強導(dǎo)電性處理后，這些區(qū)域?qū)⒕哂邢嗤膶?dǎo)電性。此外，具有其他方向的條區(qū)也有益處。例如，兩個垂直方向的條區(qū)可將本體分為三個子區(qū)域。
方法圖4是一個制作本發(fā)明多重導(dǎo)電基體和使用多重導(dǎo)電基體作為電極的實作方法的流程圖概述。這個流程圖應(yīng)與圖1參考對照。為了描述方便，本方法的步驟以一定的順序排列，實際制作多重導(dǎo)電基體和電極時，可能同時進行數(shù)個步驟，或是以不同的步驟順序進行。在步驟400的方法中，制成一個包含極耳的框架組件，稱為框架原件。例如說，這個由網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料構(gòu)成的框架原件具有在此稱為“框架比表面積“的比表面積。該框架原件被譬如說是模具所切斷410，以產(chǎn)生一個附著極耳的框架集件。這個框架形成一個和本體110接合的中空或空白區(qū)域。在步驟420中，以網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料作為本體的素材。這種材料有一個比框架小的，在此統(tǒng)稱為“本體比表面積“的比表面積?？梢詻]有必要使用同一類型的基體基底來制作本體和框架，我們發(fā)現(xiàn)這樣做有著顯著的優(yōu)點。本體組件被切割成430和框架中空區(qū)域相同的尺寸。本體和框架的厚度大致相同。在步驟440，本體組件和框架集件結(jié)合在一起以形成基體，而本體組件填補了框架集件中空的區(qū)域。這個步驟可以經(jīng)由現(xiàn)在任何已知的熱處理，物理或化學(xué)合成方法將本體組件和框架集件結(jié)合。其結(jié)果是一個如圖1所示擁有兩個區(qū)域的基體一個身體和一個含有極耳的框架。其中，本體的比表面積比框架的表面積小。正如以下即將顯示的，切割和連接的步驟可以很容易地變化來產(chǎn)生更多樣復(fù)雜的基體，如同在圖2和3所示。在步驟450，由包括本體，框架，和極耳組成的基體，經(jīng)過導(dǎo)電材料的處理。不同的處理方法將在以下討論。極耳可以選擇性地加一層涂鉛以增加其強度。在結(jié)束這個步驟后，這個多重導(dǎo)電基體將轉(zhuǎn)換成為一個擁有兩個不同比表面積和不同導(dǎo)電性區(qū)域的多重導(dǎo)電集電流體。在步驟460，接合材料被應(yīng)用到基體基底上使其能夠在電池中惡劣的環(huán)境下有更好的能力持有電活性化合物涂膏。本步驟目前已知的各種選項將在以下討論。在步驟470，如上述所言，將電活性化合物涂膏涂布在多重導(dǎo)電基體上，在步驟 480，涂膏完成之后的集電流體將經(jīng)過養(yǎng)護及修邊等各項完善步驟后，將成為電極并可裝配成電池。圖4中的步驟順序是為了以解說為目的，并不表示本發(fā)明會因此受到限制。例如， 將基體基底經(jīng)過導(dǎo)電材料的處理步驟，可能發(fā)生在將組件組成基體基底之前。同時要注意的是，雖然術(shù)語“多重導(dǎo)電基體“最精確的應(yīng)用方式是由步驟450，將導(dǎo)電材料施作于組裝后的導(dǎo)電基體基底上，但是這個術(shù)語也適用于擁有不同比表面積區(qū)域，本質(zhì)上是具有轉(zhuǎn)變成多重導(dǎo)電性質(zhì)潛力的基體基底。另一個可具體實現(xiàn)本方法的范例，可能會被修改步驟400-440，使得本體組件和框架組件是裁切自同一塊具有相同比表面積的基體基底。這種體現(xiàn)方法如圖5-7所示。自基底素材裁切出一個框架組件520。這個框架組件包括框架和極耳530。本體組件最初裁切的形狀為長方形510。其寬度大致與框架的寬度相等，而其高度大約等于框架的高度加上極耳的高度。如果兩個組件都是裁切自同一個基底物質(zhì)，這將是最方便的做法。 建議最好是使用網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料。雖然具體的參數(shù)，將取決于特定的應(yīng)用；但是相對于目前的具體實現(xiàn)，取3毫米為每一片的厚度，而比表面積為1400m2/m3。如圖5所示，兩個組件將一起并列，將框架520放置于本體510之上，這樣框架的丨面將與本體的丨面，然后將兩個面的底部以及側(cè)面邊緣互相對齊。圖6顯示了將框架組件520放置于本體組件510時的底端斷面視圖。兩片組件加在一起的總厚度為6毫米的X，而每一片組件的厚度是3毫米的y。向下施加壓力于框架組件520，并將其壓入本體組件510的邊緣。如圖7所示，壓縮區(qū)域的總厚度為6毫米的X，壓縮后成為一個均勻厚度3毫米的ζ。因此，本體區(qū)域710的比表面積維持相同，約1400m2/m3，然而框架區(qū)域720的比表面積卻約為其兩倍。其結(jié)果是一個均勻厚度約3毫米Z的基體700，擁有一個中央本體710 和包圍本體的框架720。本體710保留了原來與本體510相同的厚度和彼表面積，分別是3 毫米和1400m2/m3。但是由于框架集件已經(jīng)壓入本體組件的邊緣，框架區(qū)域720的比表面積將增加至約^00m2/m3。因此，當基體經(jīng)過導(dǎo)電材料處理后，框架和極耳會有比本體更大的導(dǎo)電性。框架組件和本體組件如上所述，在被壓縮在一起后，經(jīng)過目前已知的熱或化學(xué)處理，可能將其永久的結(jié)合在一起。所形成的基體如圖1所示。上述及以下所披露的諸如厚度和比表面積等參數(shù)，這些都只是為了提供說明方便所舉的例子。詳細信息，改進，和范例的結(jié)果A.其他制作多重導(dǎo)電基體框架區(qū)域的方法形成基體框架區(qū)域的主要目的是，框架區(qū)域有較高的比表面積，因此剛性和強度較本體區(qū)域強。上述闡述過如何裁切兩片基體基底來形成框架和身體，然后壓縮在一起。對于在本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員而言，在閱讀和理解這里披露的內(nèi)容后，可以很明顯的使用很多不同方式來達成目標。在這里另外披露另一個作為替代使用的，具體實現(xiàn)方法的例子。參照圖8a-8c。在這個例子中我們想要產(chǎn)生一個總寬度(W)和總高度(H)的長方形的多重導(dǎo)電基體800。在這個例子中，我們簡單的假設(shè)框架的每一邊擁有相同的寬度(F)， 但是，這種方法很容易產(chǎn)生出一個每邊有不同寬度的框架。多重導(dǎo)電基體包括一個從框架上頂邊延伸出距離L的極耳805。術(shù)語“頂邊“802，“底邊“804和“垂直邊“801，803指的是多重導(dǎo)電基體在圖上的方向。這個多重導(dǎo)電基體可以如圖8b所示的，以一張過大的基體基底806來制成。所謂 “過大“的意思是1)基體基底的寬度等于最終多重導(dǎo)電基體的寬度(W)加上框架垂直邊的寬度(F)的總和，和幻基體基底的高度等于最終多重導(dǎo)電基體的高度(H)加上框架頂邊和框架底邊的總寬度(F)以及兩倍由多重導(dǎo)電基體頂邊延伸出的極耳距離(L)的了的總和。 這些尺寸在圖8b顯示。如圖807所示，將這張過大的基體基底的邊沿著矩形的邊緣折疊，可以明智的將其轉(zhuǎn)換成多重導(dǎo)電基體。將基體基底的兩側(cè)垂直邊和底部的邊向內(nèi)折疊相當于框架的寬度 F，頂部的邊向內(nèi)折疊相當于F和2L相加的寬度。這些褶迭的邊將造成一個四周具有雙層邊的矩形。將折迭后形成的頂邊沿在圖8c中的虛線808進行裁切出連接頂邊的極耳。此時所有的邊都以類似之前敘述過的方式予以壓縮。視基底和情況而定，或許先將雙層邊融合在一起，再去壓縮它們會比較合適。這種方法可以使得吾人可以從單一基體基底來產(chǎn)生一個框架和極耳具有比本體較高比表面積的多重導(dǎo)電基體。B.制備基體基底以形成多重導(dǎo)電基體對于鉛酸蓄電池的應(yīng)用，使用兩片具有1340m2/m3比表面積的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料作為素材，或稱原材料。在第一片素材的尺寸(高χ寬Χ厚)分別為為20厘米X 30厘米X3毫米。第二片素材的尺寸為20厘米X30厘米X5毫米。在本例中兩片素材唯一的區(qū)別是，第二片素材比第一片素材厚約2毫米。將這兩片素材放置在重量比95%的糠醇和5%的草酸的溶液大約30秒。將它們從溶液中移出并將其上多余的溶液以方便的方式去除，例如使用滾筒。將第二片素材以刀模剪裁成一個包括極耳的框架集件520。將其放置在第一片素材之上，然后兩片素材被壓縮在一起成大約3. 0毫米的厚度。將這被壓縮的素材置入攝氏 200度的烤箱兩小時。這將使得兩個素材融合在一起并且產(chǎn)生一個厚度均勻，擁有兩個不同比表面積的基體，其中本體的比表面積約為1340m2/m3，框架的比表面積約為^80m2/m3。當組合而成的基體經(jīng)過導(dǎo)電材料處理后，一個多重導(dǎo)電基體/集電流體就此產(chǎn)生。要強調(diào)的是，和目前已知的技術(shù)相比，這使得極耳能以一個更方便，更有效率，更廉價地方式與集電流體結(jié)合在一起。鑒于目前需要多重繁瑣的步驟，如點焊，鑄造，或粘合等方式，才能將極耳與集電流體鏈接，這個程序是一個很大的優(yōu)勢。C.提高網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料基體基底的導(dǎo)電性的技術(shù)在進行涂膏的步驟之前，有許多可以提高網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料基體的導(dǎo)電性的技術(shù)。在此僅提供三個以供參考。首先，可以經(jīng)由清洗，蝕刻和化學(xué)電鍍在等程序來增強基體表面的電導(dǎo)率。在室溫下，將一片網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料被放置在一個10%的醋酸鉛于冰酸性酸的溶液中大約兩分鐘。將它從溶液中移出并將其上多余的溶液以清洗的方式去除。將它放置于一個溶液，是由每公升50克的重鉻酸鉀溶液，和重量比75%為水和25%重量為濃度98%的硫酸組成的混和物，當中約一分鐘。再將這片從溶液中移出，清洗其上的溶液。然后將該片沉浸在每公升三克的硼氫化鉀水溶液中約20分鐘。此時該片經(jīng)過再次清洗，然后用化學(xué)鍍鎳或銅，或是以其他通曉的化學(xué)鍍方法來電鍍銅，銀，鉛，鎘，或合金?，F(xiàn)在這個基體已經(jīng)準備好進行上述過的切割，連接，和涂膏的步驟。為了增強像網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料這樣的素材的導(dǎo)電性，第二種方法是在聚氨酯表面噴灑像銀，鎳，銅，鎳金屬或石墨基等導(dǎo)電物質(zhì)。噴涂導(dǎo)電涂料的方法被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)。銀基的導(dǎo)電噴劑在工業(yè)界是眾所周知的，并且在商業(yè)化上可應(yīng)用。網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料可先用清水洗凈，然后設(shè)定在攝氏50度于烤箱中烘干。最后于干凈的環(huán)境中，在網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料的表面上噴灑一層銀基的導(dǎo)電物質(zhì)。加強網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料導(dǎo)電性的第三種方法，是將其放置于重量比5%的甲苯磺酸和95%的糠醇混合物中約30秒后移出。去除其上任何多余的溶液，在空氣中干燥大約兩個小時，使得糠醇可以滲透進入網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料后產(chǎn)生糠塑料。再將它放置于攝氏 1100度的惰性氣體高溫爐中1小時，網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料就會形成玻璃狀的碳。值得注意的是，這些使得基體具有導(dǎo)電性的技術(shù)，必須能夠均勻的處理這整個組裝完成的多重導(dǎo)電基體。在某些情況下，在本體和框架上施加不同量的導(dǎo)電物質(zhì)以加強導(dǎo)電率的差異，或許是一個比較好的做法。
D.網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料基體與鏈接涂層的技術(shù)為了要形成與電活性化合物塗膏接合的表面，依據(jù)所涉及電池化學(xué)的不同，金屬或金屬合金，可應(yīng)用于網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料的基體。有許多技術(shù)可用于這一步驟。在這里提供三種方法。第一，作為鋰離子電池的應(yīng)用實例，使用化學(xué)鍍鎳技術(shù)來將鎳應(yīng)用于涂膏的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料基體上?；瘜W(xué)鍍鎳方法是在實用上廣泛已知的解決方案。第二，對于鉛酸蓄電池或鉛硅酸蓄電池而言，施加鉛或鉛合金電鍍層在網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料基體上，是最通常使用的方法。適當?shù)你U和鉛合金電鍍在實用上是廣被人知的方法，并且可以從眾多的商業(yè)來源取得。第三，可使用金屬射出成型(MIM)的方式來產(chǎn)生金屬或金屬合金。金屬射出成形是一個結(jié)合了塑料的多功能性與金屬強度和完整性優(yōu)點的制造過程。在一個使用金屬射出成形將鎳施作于網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料基體的具體實例中，先將基體放置在模具，然后將模具插入類似的標準注塑成型機中。為了讓金屬可以被注入模具，將鎳粉與塑料粘合劑混和， 然后注入并操作成型機。在塑形完成后，使用溶劑和熱處理過程消除粘合劑。鎳粉在一個足以與粒子鏈接，但不會高到熔化鎳的溫度與基體燒結(jié)。燒結(jié)的鎳覆蓋了網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料基體的表面。E.實例結(jié)果以上所披露的內(nèi)容中，展示了如何使用不同方法來制造根據(jù)本發(fā)明多重導(dǎo)電基體而成的電極。以下呈現(xiàn)和以碳泡沫，以及傳統(tǒng)鉛板柵作為電極的鉛酸電池的對比測試結(jié)果。 結(jié)果顯示，使用多重導(dǎo)電網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料作為電極，鉛酸電池的效能在各方面得到改進。在范例1中，兩個擁有12和100安培小時(AH)容量的12伏電池被用來做為比較。 每個電池容量是以12伏電池10小時放電率(C/10)進行放電。使用按照本發(fā)明多重導(dǎo)電基體原型制成的電極的鉛酸電池，被用來和使用碳泡沫和傳統(tǒng)鉛板作為電極制成的鉛酸電池來比較。兩個不同容量電池的電極比較數(shù)據(jù)分別在表1和表2提供。表 權(quán)利要求
1.一個被用來做為集電流體使用的多重導(dǎo)電基體(MCM)，這個多重導(dǎo)電基體包括a:第一區(qū)域；以及b 第二區(qū)域，其中，該第二區(qū)域的導(dǎo)電性比第一區(qū)域有更良好、更高的導(dǎo)電性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中描述的多重導(dǎo)電基體，第二區(qū)域?qū)⑿纬梢粋€框?qū)⒌谝粎^(qū)域圍住。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中描述的多重導(dǎo)電基體，極耳至少會從該多重導(dǎo)電基體上的第一區(qū)域或第二區(qū)域延伸而出。
4.根據(jù)權(quán)利要求2中描述的多重導(dǎo)電基體，至少會有一個帶狀或條狀物從該多重導(dǎo)電基體的第二區(qū)域延伸而出，并通過或穿過第一區(qū)域。而第一區(qū)域可能依此會被劃分形成至少兩個子區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中描述的多重導(dǎo)電基體，第一區(qū)域和第二區(qū)域的導(dǎo)電性是由該第一區(qū)域和第二區(qū)域的相對比面積來決定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中描述的多重導(dǎo)電基體，其第一區(qū)域和第二區(qū)域至少有一部分是由高分子聚合物所構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中描述的多重導(dǎo)電基體，高分子聚合物是網(wǎng)狀的聚氨酯泡沫塑料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中描述的多重導(dǎo)電基體，其第一區(qū)域和第二區(qū)域至少有一部分是由碳泡沫所構(gòu)成。
9.一個電極包括a.一個集電流體b.一個構(gòu)成集電流體基質(zhì)的基體，基體包括一.第一區(qū)域；以及二.第二個區(qū)域；b.一個覆蓋于這個基體的導(dǎo)電薄膜。c.電化合涂膏物施加于基體之上，而第二區(qū)域的導(dǎo)電性比第一區(qū)域的導(dǎo)電性更大。
10.根據(jù)權(quán)利要求9中描述的電極可以進一步包括一個鏈接材料，這個鏈接材料可以提升電活性化合物涂膏和基體之間的鏈接效果。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10中描述的電極，第二區(qū)域形成一個框?qū)⒌谝粎^(qū)域圍住。
12.根據(jù)權(quán)利要求9或10中描述的電極，第二區(qū)域?qū)⑿纬梢粋€極耳。
13.根據(jù)權(quán)利要求9和權(quán)利要求10，第二區(qū)形成一個或多個條狀區(qū)域通過第一區(qū)域時， 即表示第一個區(qū)域被條或條狀分開成至少兩個以上的子區(qū)域。
14.本發(fā)明包括一個形成的電極與所構(gòu)成的電池，如果含有權(quán)利要求9到權(quán)利要求12 中至少一項陳述的主張。
15.一個制造于權(quán)利要求1描述的多重導(dǎo)電基體的方法。它包含了下列步驟步驟(a)提供一個有一個本體區(qū)域和一個框架區(qū)域的基體，這個基體的框架區(qū)域和本體區(qū)域相比，有較高或較大的比表面積。步驟(b)將步驟(a)的基體施加導(dǎo)電物質(zhì)。使得第二區(qū)域的導(dǎo)電性優(yōu)于第一區(qū)域的導(dǎo)電性。
16.由權(quán)利要求15中描述的制作方法中，包含了下列步驟步驟(al)形成一個具有第一比表面積的第一塊基體基底；步驟(U)形成一個具有第二比表面積的第二塊基體基底；然而第二比表面積要比在步驟(al)的第一比表面積要來的大或是高。步驟(M)將步驟(al)和步驟(^)所形成的兩塊基體基底相結(jié)合，然后形成一個如同步驟(a)中敘述的基體。
17.在權(quán)利要求16中，其中步驟(^)包括將基體基底裁切形成一個框架，來圍繞配合由步驟(al)形成的基體基底的尺寸，而且步驟(M)包括將框架放置于第一塊基體基底的做法。
18.權(quán)利要求16中的步驟(^)的方法包括經(jīng)由形成一個框架，然后如同步驟(a3)中所敘述的，以壓縮的方式將步驟(al)形成的和的第一塊基體基底結(jié)合在一起。
19.由權(quán)利要求15中描述的制作方法中，包含了下列步驟步驟(a4)將一層或一張基體基底的邊折迭，來形成一個沿著邊具有雙層基體基底的區(qū)域，然后步驟(始)將步驟(a4)所形成的雙層基體基底壓縮來制成步驟(a)的框。
20.由權(quán)利要求19中描述的制作方法中，進一步包含了由折迭基體基底的一邊來形成極耳的步驟。
全文摘要
在此披露一個用來做為集電流體/電極的多重導(dǎo)電基體(MCM)和其制作方法。這個多重導(dǎo)電基體包括一個框架，最好是包括一個稱之為”極耳”的耳狀突起，和一個本體。而這個框架和本體最好是由相同的網(wǎng)狀高分子發(fā)泡基材制成?？蚣艿谋缺砻娣e比本體的比表面積大，使得框架和本體結(jié)合在一起形成一個集合的基體時，框架比本體有更大的剛性和強度。導(dǎo)電材料被應(yīng)用到基體，使其成為集電流體?？梢赃x擇性使用粘結(jié)性的材料。電活性化合物可以涂膏到這個集電流體之上。由此產(chǎn)生的多重導(dǎo)電基體電極有超輕的特性，可作為鉛基電池，鋰離子電池，或鎳金屬氫化物電池的陽極或陰極，以提高電池的性能表現(xiàn)。
文檔編號H01M2/20GK102308415SQ201080006856
公開日2012年1月4日 申請日期2010年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月5日
發(fā)明者J·C·Y·瓊 申請人:Evt電能公司