雙極性電池和板的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雙極性電池板（10），被用于制造雙極性電池。雙極性電池板包括框架（11）、襯底（12）、第一和第二鉛層（14）、以及陽(yáng)性和陰性活性材料（16、18）。襯底包括通過(guò)襯底的多個(gè)穿孔（13），并且所述襯底定位在所述框架內(nèi)。第一鉛層被定位在所述襯底的一側(cè)上，而第二鉛層被定位在所述襯底的另一側(cè)上。所述第一和第二鉛層通過(guò)多個(gè)穿孔電連接到每個(gè)。陽(yáng)性活性材料被定位在第一鉛層的表面上，同時(shí)陰性活性材料被定位在第二鉛層的一個(gè)表面上。
【專(zhuān)利說(shuō)明】雙極性電池和板
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電池，尤其涉及具有一系列雙極性電池板的雙極性電池。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的雙極性電池一般包括具有金屬導(dǎo)電襯底的電極,在金屬導(dǎo)電襯底上，陽(yáng)性活性材料形成一個(gè)表面而陰性活性材料形成相反表面?；钚圆牧贤ㄟ^(guò)各種裝置被保持在對(duì)電解質(zhì)離子不導(dǎo)電的金屬導(dǎo)電襯底上。電極以平行堆疊的關(guān)系布置從而提供一種具有電解質(zhì)和間隔件的多單元電池的電池，電解質(zhì)和間隔件在相鄰電極之間提供界面。在層疊體的端部處使用的傳統(tǒng)的單極電極與輸出端子電連接。發(fā)展到迄今的大多數(shù)雙極性電池已經(jīng)使用金屬襯底。具體地，雙極性鉛酸系統(tǒng)已經(jīng)利用鉛和鉛合金用于這種用途。使用鉛合金，如銻，賦予襯底強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致加速腐蝕和起泡。
[0003]在大多數(shù)已知的用于雙極性電池的板中，通常是膏或糊狀物或糊狀物形式的陽(yáng)性活性材料被涂敷到金屬導(dǎo)電襯底的一側(cè)上，同時(shí)陰性活性材料類(lèi)似地被涂敷至相反側(cè)。該板可以被包括在框架中，所述框架密封多個(gè)板之間的電解質(zhì)以便它不能遷移穿過(guò)板。
[0004]在美國(guó)專(zhuān)利N0.4，275，130中，公開(kāi)了一種具有多個(gè)導(dǎo)電雙極板21的雙極性電池結(jié)構(gòu)20。每個(gè)雙極板21可包括具有連續(xù)相樹(shù)脂材料的復(fù)合襯底片34，它對(duì)電解質(zhì)離子是不導(dǎo)電的。該復(fù)合襯底片34還包括嵌入在材料中的均勻分布、隨機(jī)分散的導(dǎo)電纖維33。粘合劑樹(shù)脂是一種合成有機(jī)樹(shù)脂，并且可以是熱固性或熱塑性的。該復(fù)合襯底片34具有基本上平坦的相對(duì)的側(cè)面35，側(cè)面35包括嵌入的石墨纖維33在它們的表面曝露的部分。嵌入的石墨纖維不僅可以通過(guò)襯底片34提供導(dǎo)電性，而且還賦予該熱塑性材料高水平的硬度、剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。襯底片34可以任何合適的方式制成，例如通過(guò)將顆粒形式的熱塑性材料與石墨纖維充分摻混。該混合物在模具中加熱，然后加壓成形為具有選定的尺寸和厚度的襯底片。在襯底片被固化后，基本平坦的側(cè)面35可例如通過(guò)拋光容易地處理或加工，以消除在側(cè)面中的針孔或其它不規(guī)則。
[0005]正如所披露的，鉛條帶通過(guò)已知的電鍍工藝結(jié)合至復(fù)合襯底片34。在陽(yáng)性側(cè)面35上，鉛條帶38之間的正面區(qū)域由耐腐蝕樹(shù)脂涂層36 (合適地，諸如特氟隆(聚四氟乙烯)的碳氟樹(shù)脂)覆蓋，該涂層防止襯底34的相鄰的石墨纖維和聚乙烯的陽(yáng)極腐蝕。在陰性側(cè)面35上，鉛條帶37之間的正面區(qū)域可以由不能滲透至電解質(zhì)的薄的樹(shù)脂涂層來(lái)保護(hù)，如聚乙烯涂層36a。在雙極板21的制造中以及在復(fù)合襯底片成形之后，薄的特氟隆片可以被結(jié)合到陽(yáng)性側(cè)表面35。在結(jié)合之前，如長(zhǎng)度和寬度與鉛條對(duì)應(yīng)帶的開(kāi)口的窗口被切斷。然后電鍍會(huì)將條帶38上的鉛結(jié)合至襯底側(cè)面35上的暴露的導(dǎo)電石墨表面。相同的制造工藝可在陰性側(cè)面35上以用聚乙烯或其它類(lèi)似材料涂覆無(wú)條帶區(qū)域?？梢砸躁?yáng)性條帶一樣的方式實(shí)現(xiàn)陰性條帶的電鍍。
[0006]間隔件板23用于支撐陽(yáng)性活性材料24和陰性活性材料25，并且可以由合適的合成有機(jī)樹(shù)脂制成，優(yōu)選地諸如微孔聚乙烯的熱塑性材料。
[0007]電池結(jié)構(gòu)20包括多個(gè)導(dǎo)電雙極板21，它們的外周邊緣或邊界被支撐和承載在外圍絕緣外殼構(gòu)件22中。雙極板21之間的插入和布置的是多個(gè)間隔件板23。間隔件板在其一側(cè)上承載陽(yáng)性活性材料24并且在其相對(duì)側(cè)上承載陰性活性材料25。外殼構(gòu)件22連同雙極板21和間隔件板23 —起提供用于容納電解質(zhì)液體的腔室26。在電池結(jié)構(gòu)20的每個(gè)端部處，標(biāo)準(zhǔn)雙極板21與集電板交界，其中27是陰性集電板而28是陽(yáng)性集電板。端部集電器27和28的外部設(shè)有由桿31相互連接的壓力構(gòu)件30，桿31具有用于將壓力構(gòu)件30連在一起并且對(duì)雙極板和間隔件的堆疊布置施加軸向壓力的螺紋部分。
[0008]雙極板21重量輕，剛性好，并且包括在鉛條帶邊緣和保護(hù)涂層之間的結(jié)合線，以抵抗襯底的結(jié)構(gòu)惡化和腐蝕。電鍍過(guò)程是必需的，以將鉛條帶37、38結(jié)合到具有石墨纖維的導(dǎo)電襯底。此外，多個(gè)雙極板21位于分離的外殼構(gòu)件22和外部框架中，所有這些都需要用于更多的部件的進(jìn)一步處理步驟。在一般情況下，雙極性電池結(jié)構(gòu)20是具有將數(shù)層材料和襯底組裝到通過(guò)復(fù)雜的外部支承框架固定在一起的多個(gè)腔室26和本體43中的復(fù)雜設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，本發(fā)明的許多目的中的一個(gè)目的是提供一種具有簡(jiǎn)化的雙極板設(shè)計(jì)的雙極性電池，其中活性材料被包封在包括具有穿孔的可模制襯底的絕緣框架內(nèi)以改善活性材料之間的導(dǎo)電性。而且，所述雙極性電池生產(chǎn)廉價(jià)并且不需要復(fù)雜的外部框架以支撐雙極板。
[0010]每個(gè)雙極性電池板包括框架、襯底、第一和第二鉛層、以及陽(yáng)性和陰性活性材料。襯底包括通過(guò)襯底的多個(gè)穿孔，并且襯底被定位于所述框架內(nèi)。第一鉛層被定位在所述襯底的一側(cè)上，同時(shí)第二鉛層被定位在所述襯底的另一側(cè)。第一和第二鉛層通過(guò)所述多個(gè)穿孔中的每一個(gè)彼此電連接。陽(yáng)性活性材料被定位在第一鉛層的表面上，同時(shí)陰性活性材料被定位于第二鉛層的表面上。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]下面參照附圖中所示的圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，這些圖示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中:
[0012]圖1是根據(jù)本發(fā)明的雙極性板的正視圖；
[0013]圖2是沿圖1的線2-2所截取的雙極板的剖視圖；
[0014]圖3是根據(jù)本發(fā)明的雙極性電池的立體圖；
[0015]圖4是圖4所示的雙極性電池的分解立體圖；
[0016]圖5是具有外殼的根據(jù)本發(fā)明的雙極性電池的局部剖視圖；
[0017]圖6是沒(méi)有外殼的根據(jù)本發(fā)明的雙極性電池的另一局部剖視圖；
[0018]圖7是根據(jù)本發(fā)明的雙極板的近視圖，示出了雙極性板的襯底中的穿孔；和
[0019]圖8是根據(jù)本發(fā)明的雙極板的另一近視圖，示出了雙極板的非導(dǎo)電框架；和
[0020]圖9是根據(jù)本發(fā)明的雙極板的另一近視圖，示出了雙極板的另一種非導(dǎo)電框架。
具體實(shí)施例
[0021]下面將參照附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，其中相同的參考標(biāo)號(hào)指代相同的元件。但是，本發(fā)明可能具體化為許多不同的形式并且不應(yīng)被解釋為限于本文所闡述的實(shí)施例，相反，提供這些實(shí)施例使得描述將會(huì)徹底和完整，并且會(huì)充分地傳達(dá)本發(fā)明的概念給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0022]關(guān)于圖1-9，根據(jù)本發(fā)明的雙極性電池100包括多個(gè)雙極板10、保持電解質(zhì)20的間隔件22和接線端的端部部分30。這些主要部件中的每個(gè)被堆疊在一起以形成根據(jù)本發(fā)明的雙極性電池100，該雙極性電池100是具有最小數(shù)量部件避免復(fù)雜外部支撐結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)計(jì)。
[0023]現(xiàn)在參照?qǐng)D1和圖2，將討論根據(jù)本發(fā)明的雙極板10。雙極板10包括框架11、基片12、沿著并延伸通過(guò)襯底12的前表面和后表面的多個(gè)穿孔13、鉛箔14、第一活性材料16和第二活性材料18。
[0024]一般地，襯底12、鉛箔14、第一活性材料16與第二活性材料被包封在框架11內(nèi)，該框架11提供了對(duì)雙極板10的支撐和保護(hù)。襯底12被定位在框架11的中心，鉛箔14被定位在襯底的兩側(cè)，隨后活性材料16、18被定位在鉛箔14之上?？蚣?1是不導(dǎo)電的。在所示實(shí)施例中，框架11是可模制的絕緣聚合物，如聚丙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，聚碳酸酯，共聚物、或聚合物共混物。因?yàn)榭蚣?1是可模制的，形狀和大小的配置的數(shù)量是豐富的，這也提供給了可以針對(duì)不同的用途定制的根據(jù)本發(fā)明的雙極板10。
[0025]在所示的實(shí)施例中，框架11具有大致矩形的形狀，其在被定位到框架11中時(shí)提供針對(duì)襯底12的支持?？蚣?1是用于雙極板10、以及雙極性電池100的外殼。框架11的外表面是雙極板10和雙極性電池100的外表面?？蚣?1的表面是大致平坦的，并且特別地，沿框架11的外表面是大致平坦的。當(dāng)與間隔件22和接線端部分30組裝時(shí)，特別是當(dāng)雙極板10倚靠平坦的相對(duì)的表面直立定位時(shí)，框架11支持其自身以及雙極板10。
[0026]框架11還包括襯底容納通路Ila和材料容納通路11b，如圖2所示。襯底容納通道Ila是凹槽或通道，而材料容納通路Ilb是在框架11的開(kāi)口，其容納在雙極板10的兩個(gè)可堆疊側(cè)上的鉛箔14和活性材料16、18。
[0027]襯底容納通道Ila是用于當(dāng)襯底12被定位在框架11內(nèi)時(shí)容納和固定在襯底12的凹槽。襯底容納通道Ila的其他配置是可以的，包括槽口、凹口、凹部或?qū)⒁r底12固定在框架11內(nèi)的任何固定機(jī)構(gòu)。例如，襯底12可以用焊接或通過(guò)粘合劑、或通過(guò)緊固件固定到框架11。然而，在所示的實(shí)施例中，在雙極板10的制造期間，襯底12被固定在襯底容納通路Ila中。
[0028]每個(gè)材料容納通道Ilb被定位在框架11的大致中心處，當(dāng)基片12被定位在襯底容納通路Ila時(shí)，該框架11被襯底12彼此分開(kāi)。此外，鉛箔14和活性材料16、18被包封在框架11的外表面平面內(nèi)。這些對(duì)的腔體的尺寸被設(shè)計(jì)成將鉛箔14和活性材料16、18牢固地容納在框架11內(nèi)。
[0029]在所示的實(shí)施例中，襯底12是與框架11分離的一塊絕緣材料，襯底12被容納并固定在框架11的襯底容納通道Ila內(nèi)。然而，框架11和襯底12通?？梢杂上嗤牟牧闲纬稍谝黄?，作為單體結(jié)構(gòu)。在制造期間，框架11和襯底12由同一材料構(gòu)造成單件或一體。這可以通過(guò)如注塑模制的工藝或其它已知的方法來(lái)進(jìn)行。
[0030]在所示的實(shí)施例中的襯底12通常是絕緣塑料，所述絕緣塑料是非導(dǎo)電的，S卩，尼龍、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯、共聚物或在所示的實(shí)施例的共聚物共混物。簡(jiǎn)而言之，不管框架11和襯底12是否由單一件結(jié)構(gòu)制備，框架11和襯底12可以由相同材料制備。
[0031]在可選的實(shí)施例中，如圖7所示，襯底112通常是不導(dǎo)電的，由絕緣塑料制得。然而，導(dǎo)電纖維和材料在整個(gè)絕緣塑料均勻地分散。例如，襯底112可以由IntegralTechnologies, Inc制備的商品名為ElectriPlast的耐腐蝕塑料制得,其包括高導(dǎo)電性區(qū)域。襯底112，如圖7中所示，包括非導(dǎo)電樹(shù)脂基材料或熱塑性塑料112a，該非導(dǎo)電樹(shù)脂基材料或熱塑性塑料112a具有導(dǎo)體顆粒微粉末和/或在樹(shù)脂基或熱塑性塑料112a內(nèi)結(jié)合有基本上均勻的微纖維。如在圖7清楚地示出的，導(dǎo)體顆?；蚶w維12b被均勻分散在整個(gè)樹(shù)脂或熱塑性塑料12a的本體。在這個(gè)例子中，粉末中導(dǎo)體顆?；蚶w維112b的導(dǎo)體顆粒直徑D為大約3至12微米之間。導(dǎo)體顆?；蚶w維112b的導(dǎo)體纖維的直徑為約3至12微米之間，典型地在10微米的范圍內(nèi)，或在約8至12微米之間，并且長(zhǎng)度在大約2至14毫米之間。導(dǎo)體顆粒或纖維112b的微導(dǎo)電纖維可以是金屬纖維或鍍金屬纖維。另外，鍍金屬纖維可通過(guò)將金屬電鍍到金屬纖維上或?qū)⒔饘匐婂兊椒墙饘倮w維上而形成。示例性的金屬纖維包括但不限于，不銹鋼纖維、銅纖維、鎳?yán)w維、銀纖維、鋁纖維或類(lèi)似物，或它們的組合。示例性的金屬電鍍材料包括但不限于，銅、鎳、鈷、銀、金、鈀、鉬、釕、銠以及它們的合金。任何可電鍍的纖維可以用作非金屬纖維的芯。示例性的非金屬纖維包括但不限于，碳、石墨、聚酯、玄武巖、人造和天然存在的材料，等等。此外，超導(dǎo)體金屬，如鈦、鎳、鈮和鋯，以及鈦、鎳、鈮和鋯的合金也可以用作微導(dǎo)電纖維和/或電鍍到纖維上的金屬。
[0032]導(dǎo)體顆粒和/或纖維112b在樹(shù)脂或熱塑性材料112a中被大致均勻地分散。襯底112包括:襯底112上的導(dǎo)電表面的受控區(qū)域，其中，來(lái)自導(dǎo)電顆?；蚶w維112b的導(dǎo)電材料通過(guò)樹(shù)脂或熱塑性材料112a露出，它們通過(guò)均質(zhì)化工藝導(dǎo)電連接。襯底112的導(dǎo)電表面還被進(jìn)一步制造工藝控制，如蝕刻或噴砂處理，其中通過(guò)化學(xué)或通過(guò)在高壓下向表面驅(qū)使或推進(jìn)磨料流粗糙化使表面。然后暴露導(dǎo)體顆粒和/或纖維112b，并且提供襯底112的導(dǎo)電區(qū)域。這個(gè)過(guò)程提供了具有受控制的量的導(dǎo)電性的襯底112，包括導(dǎo)電性的尺寸和面積。
[0033]另外，也可以使襯底112包括在成型過(guò)程期間在絕緣樹(shù)脂或熱塑性材料112a內(nèi)一起被基本上均勻分散的導(dǎo)電顆粒、粉末和/或纖維112b的組合。均質(zhì)化的材料可模制成多邊形，如所示的襯底112，其適應(yīng)根據(jù)本發(fā)明的雙極性板10所需的各種定制設(shè)計(jì)或性能。接著可以在單一的制造工藝中將襯底112與框架11模制在一起。這簡(jiǎn)化了雙極板10與雙極性電池100，其中采用了最少的部件的使用并且消除了生產(chǎn)步驟。此外，通過(guò)沿著襯底的表面提供和控制導(dǎo)電區(qū)域可以關(guān)注襯底112和電池100的性能。由于框架11是絕緣的并且襯底12、112被定位在襯底容納通路Ila中，組裝時(shí)雙極板10可用作為雙極電池100的框架。
[0034]在制造過(guò)程中，襯底12可以是插入模制到襯底容納通道Ila中，或者框架11包覆模制在襯底12之上。然而，如果框架11和襯底12可模制在一起，即將兩部件插入或包覆模制在一起或注射成型為單體件，可以用更少的部件簡(jiǎn)化雙極板10的制造步驟。此外，此過(guò)程實(shí)現(xiàn)定制根據(jù)本發(fā)明的雙極板10和雙極性電池100的尺寸和形狀的能力。
[0035]現(xiàn)在重新參見(jiàn)圖1和2，襯底12和圖4-8中所示的襯底112包括沿著襯底12、112的表面并通過(guò)本體延伸通過(guò)相對(duì)表面的穿孔13。在所示的實(shí)施例中，穿孔13是圓形，但可以是其它任何形狀。穿孔13被定位在對(duì)稱(chēng)的格子圖案中。穿孔13被定位在所示的基板12、112的四個(gè)象限中。通過(guò)將多個(gè)穿孔13定位在對(duì)稱(chēng)的格子布置中為當(dāng)鉛箔14被定位于襯底12、112的相對(duì)兩側(cè)上時(shí)提供通過(guò)襯底12、112的均勻的傳導(dǎo)。
[0036]此外，襯底112包括沿著表面并通過(guò)襯底112的本體的導(dǎo)電性顆粒、粉末和/或纖維112b，如在圖5-9中可以清楚地看到的。通常，襯底12的表面區(qū)域是絕緣的，同時(shí)其它區(qū)域由于導(dǎo)電顆粒、粉末和/或纖維112b是導(dǎo)電的。如上面所討論的，在襯底112的制造中可以控制導(dǎo)電區(qū)域的大小。例如，在襯底的表面可以被粗糙化以暴露導(dǎo)電區(qū)域，可以相對(duì)于襯底12的整個(gè)暴露表面?zhèn)榷ㄖ茖?dǎo)電區(qū)域的尺寸和形狀，或能夠相對(duì)于絕緣樹(shù)脂或熱塑性材料112a的量來(lái)控制導(dǎo)電顆粒、粉末、和/或纖維112b的量。在圖5-9所示的實(shí)施例中，襯底112的整個(gè)外表面被粗糙化以暴露導(dǎo)電顆粒、粉末和/或纖維112b。因此，襯底在該襯底的暴露表面?zhèn)仁菍?dǎo)電的并且鉛箔14被定位在導(dǎo)電顆粒、粉末和/或纖維112b上。
[0037]現(xiàn)在參照?qǐng)D1、圖2、圖7和圖8，將要討論鉛箔14，鉛箔14被定位在材料容納通路Ilb內(nèi)，在襯底12的相對(duì)側(cè)上。鉛箔14是導(dǎo)電的并通過(guò)穿孔13彼此連接。更具體地，在圖示的實(shí)施例中鉛箔14彼此機(jī)械地并且電連接。襯底12、112通常絕緣的,或者僅包括在絕緣樹(shù)脂或熱塑性纖維12a中的基于導(dǎo)電顆粒和/或纖維12b的有限區(qū)域或有限的導(dǎo)電性。結(jié)果，穿孔13用來(lái)在雙極板10中，特別在具有全部由絕緣材料制備的襯底12的雙極板10中，將鉛箔14彼此連接。如圖2所示，通過(guò)電阻焊接或本領(lǐng)域已知的其它工藝鉛箔14被焊接在一起。另一方面，如示于圖7，包括襯底112的雙極板10還可以包括穿孔113，其中襯底包括在絕緣樹(shù)脂或熱塑性纖維12a中均勻分散的導(dǎo)體顆粒或纖維，穿孔113允許根據(jù)本發(fā)明的雙極板10上鉛箔14和活性材料16、18之間的進(jìn)一步控制和更高的導(dǎo)電效率。
[0038]在任一情況中，穿孔13的尺寸、形狀或格子圖案可以變化，但是要足夠大以使得鉛箔14可被定位在穿孔13中并且通過(guò)穿孔13并連接到相鄰的鉛箔14。穿孔13可以在制造過(guò)程中被模制或研磨到基材12中。參照?qǐng)D1、圖2和圖8，顯示了鉛箔14，它們分別被定位在基板12、112的兩個(gè)暴露表面上，并且其尺寸被設(shè)計(jì)成安裝在框架11的材料容納通道Ilb內(nèi)。鉛箔14的尺寸被設(shè)計(jì)為安全地安裝在材料容納通道Ilb內(nèi)，使得框架11包封位于基板12、112的兩側(cè)的每個(gè)鉛箔14。鉛箔14通過(guò)穿孔13被機(jī)械連接和電連接，如圖7所示。
[0039]如圖9所示，在制造和裝配過(guò)程中，鉛箔14連同襯底12、112可被插入到襯底容納通道11。鉛箔14可以在嵌件成型、包覆模制、或在襯底容納通路Ila內(nèi)制造鉛箔14和襯底
12、112的類(lèi)似的制造工藝期間被包封在框架內(nèi)。鉛箔14位于襯底12、112的相對(duì)表面上，然后被插入或制造到框架11內(nèi)。它可以通過(guò)已知的電鍍、氣相沉積、或冷火焰噴涂方法涂敷鉛箔14。
[0040]另外，也可能的是鉛箔14是具有鉛的膏或糊狀物，其沿襯底12、112的前表面和后表面定位。膏或糊狀物在襯底12、112的相對(duì)表面(即正面和背面)散布。膏或糊狀物通過(guò)穿孔13連接襯底12、112的兩側(cè)。膏或糊狀物的厚度使得足以在每一側(cè)的膏或糊狀物之間的提供連通，但考慮到活性材料16、18也被定位在材料內(nèi)容納通路Ilb中，因而不應(yīng)比材料容納通路I Ib更厚。
[0041]參照?qǐng)D2和圖5-9中，活性材料16、18被示出并被定位在鉛箔14的面向遠(yuǎn)離襯底12,112的暴露側(cè)上?；钚圆牧?6的第一層是涂敷在鉛箔14上的陽(yáng)性活性材料膏或糊狀物(PAM)，同時(shí)陰性活性材料(NAM)涂敷在另一鉛箔14之上，它是所述第二活性材料18。在所示的實(shí)施例中，陽(yáng)性活性材料膏或糊狀物(PAM)和陰性活性材料(NAM)是混有硫酸、水、纖維和碳的鉛或氧化鉛膏或糊狀物。
[0042]活性材料16、18 (即NAM和PAM)的厚度不應(yīng)延伸到框架11的材料容納通路Ilb外面。相反，襯底12、112、鉛箔14和活性材料16的整個(gè)厚度Tm小于框架11的厚度Tf。
[0043]框架11包圍襯底12、112、鉛箔14和活性材料16、18。結(jié)果，當(dāng)組裝時(shí)，雙極性電池100被組裝在雙極板10的堆疊中，框架11用作用于雙極性電池100的支撐件和外表面。組裝步驟和部件的數(shù)量可以最小化。此外，雙極性電池100和雙極板10可以被很容易地定制用于各種應(yīng)用，因?yàn)榭蚣?1和襯底12可以被模制成各種形狀和大小。
[0044]現(xiàn)在參照?qǐng)D3和4，顯示間隔件22，其與根據(jù)本發(fā)明的雙極板10堆疊和密封，并且用以保持雙極性電池100的電解質(zhì)20。
[0045]所示的間隔件22在相鄰堆疊的雙極板10之間。間隔件22基本上是具有與框架11類(lèi)似尺寸的外殼，并包括電解質(zhì)容納空間22a，如圖3-6所示。電解質(zhì)容納空間22a是通過(guò)電解質(zhì)容納空間22a的孔，大致定位在間隔件22的中心并保持電解質(zhì)20。當(dāng)被密封在兩個(gè)相鄰的雙極板10之間時(shí)，間隔件22防止電解質(zhì)20泄漏并允許電解質(zhì)20在雙極板10之間提供導(dǎo)電性。
[0046]如圖5和圖6所示中，至少一個(gè)電解質(zhì)接收通道22B設(shè)置在間隔件22中，其被定位在間隔件22的外表面上并被引導(dǎo)到電解質(zhì)容納空間22a。在間隔件22被組裝并與相鄰的雙極板10密封后，用戶(hù)可以通過(guò)電解質(zhì)接收通道22b提供電解質(zhì)20并使電解質(zhì)20進(jìn)入電解質(zhì)容納空間22a。在一般情況下，電解質(zhì)接收通道22b是在間隔件22中延伸通過(guò)間隔件22并且進(jìn)入電解質(zhì)容納空間22a的開(kāi)口。然而，本領(lǐng)域已知的其他機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)可以被用來(lái)使得電解質(zhì)20進(jìn)入電解質(zhì)容納空間22a中。當(dāng)沒(méi)有使用時(shí)，容納通道22b可以被插塞或阻塞一些容量，或用于排出來(lái)自電解質(zhì)容納空間22a的氣體。
[0047]電解質(zhì)20可以是多種物質(zhì)，包括酸。不過(guò)，該物質(zhì)應(yīng)該是包括使該物質(zhì)具有導(dǎo)電性的自由離子的物質(zhì)。電解質(zhì)20可以是溶液、熔融材料和/或固體，這有助于通過(guò)電解質(zhì)的離子形成電池電路。在根據(jù)本發(fā)明的雙極性電池100，活性材料16、118提供了將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的反應(yīng)，電解質(zhì)20允許電能從該雙極板10流動(dòng)到另一個(gè)雙極板10，以及流到電池100的電極36。
[0048]在所示的實(shí)施例中，電解質(zhì)20是酸，被保持在吸收玻璃墊(AGM) 21中，如圖4和圖5所示的。電解質(zhì)20通過(guò)毛細(xì)作用被保持在玻璃墊21上。非常薄的玻璃纖維被織成玻璃墊21，以增加表面面積足以在單元電池壽命期間保持足夠的電解質(zhì)20。包括精細(xì)玻璃纖維玻璃墊21的纖維不吸收它們?nèi)菁{的酸性電解質(zhì)20也不是受這些酸性電解質(zhì)20的影響。玻璃墊的尺寸大小可以變化。然而，在所示的實(shí)施例中，玻璃墊21安裝在電解質(zhì)容納空間22a內(nèi)，但具有比間隔件22更大的厚度。此外，在所示的實(shí)施例中，電解質(zhì)容納空間22a包括用于電解質(zhì)20的一部分、更具體地是玻璃墊21的額外的空間。因此，雙極性電池100的設(shè)計(jì)，根據(jù)本發(fā)明，允許保持玻璃墊21的間隔件22與相鄰的雙極板10—致地堆疊，其中活性材料16、18位于含有電解質(zhì)20的玻璃纖維墊21上。
[0049]另外，也可以去除玻璃墊21，并且如凝膠電解質(zhì)的電解質(zhì)20在間隔件22的任一側(cè)上的相鄰堆疊的雙極板10之間的相鄰活性材料16、18之間自由流動(dòng)。
[0050]另外，在其他實(shí)施例中，間隔件22也可以是框架11的延伸部。在一般情況下，框架11包括更深的材料容納通路Ilb以包封鉛箔14和活性材料16、18以及電解質(zhì)20。而且，如果框架11的尺寸可以形成為使得可堆疊的雙極板10的材料容納通道Ilb還可以在彼此之間保持纖維玻璃墊21，由此將鉛箔14、活性材料16、18、玻璃墊21以及電解質(zhì)20包封在在堆疊和密封的雙極板10中?？蚣?1可以包括電解質(zhì)接收通道22b，其延伸通過(guò)框架和進(jìn)入到材料容納通路Ilb中。在本實(shí)施例中，雙極板10可堆疊在彼此上并密封。
[0051]現(xiàn)在參照?qǐng)D4-6，討論雙極性電池100的接線端部分30，其蓋住雙極性電池100的端部。接線端部分30堆疊在堆疊后的雙極板10的相對(duì)側(cè)上，彼此相鄰地堆疊的多個(gè)雙極板10數(shù)量依賴(lài)于特定電池設(shè)計(jì)和形狀所需的電勢(shì)。
[0052]每個(gè)接線端部分30包括活性材料層32、接線端板34、電極36和端板38。端板38與被定位在端板38內(nèi)的活性材料32、接線端板34和電極36 —起被定位在堆疊的雙極板10的相對(duì)端。
[0053]提供活性材料32以提高從一接線端部分30流過(guò)雙極性電池100至另一接線端部分30的電流。活性材料32由與來(lái)自相鄰雙極板10的相鄰活性材料16、18相互作用的材料制成。由于間隔件22和電解質(zhì)20 (如上所述)被定位在雙極板10的每個(gè)可堆疊的側(cè)面，所以間隔件22被定位在接線端部分30和外雙極板10之間。結(jié)果，離子可以自由地流動(dòng)通過(guò)電解質(zhì)20并且流到接線端部分30的活性材料32上。
[0054]如圖5-6中所示的，接線端板34被設(shè)置并包封在接線端部分30內(nèi)。在接線端板34是導(dǎo)電的并且通常是金屬。接線端板34連接至電極36，該電極36是雙極性電池100的陽(yáng)極或陰極。陽(yáng)極被定義為電子離開(kāi)單元電池并發(fā)生氧化的電極36，而陰極被定義成電子進(jìn)入單元電池并發(fā)生還原的電極36。每個(gè)電極36可能成為陽(yáng)極或陰極，取決于通過(guò)電池的電流的方向?？赡艿氖墙泳€端板34和電極36均形成為一體或單件。
[0055]如圖4-6中所示的，端板38是不導(dǎo)電的，并提供對(duì)根據(jù)本發(fā)明的雙極性電池100的端部的結(jié)構(gòu)支持。端板38包括接線端容納通路38a，其是接線端板34、電極36、以及活性材料32被定位在其中的凹部。此外，像材料容納通路Ilb —樣，接線端容納通路38a與接線端部分30 —起為待包封的一定量的電解質(zhì)20提供足夠的間隙，具體地，與活性材料32、接線端板34和電極36 —起為包封在材料容納通路Ilb內(nèi)的一定量的電解質(zhì)20提供足夠的間隙。在圖5和圖6所示的實(shí)施例中，接線端容納通路38A還提供足夠的空間以容納和封閉玻璃墊21的一部分。
[0056]參考圖3至圖8，進(jìn)一步討論根據(jù)本發(fā)明的雙極性電池100的組裝。
[0057]雙極板10與用框架11固定的襯底12、112—起被制造和組裝。襯底12、112包括穿孔13和/或?qū)w顆?；蚶w維112b，并且一般地與框架11 一起模制，無(wú)論是作為單個(gè)或分離的部件。一旦襯底12、112定位在框架11內(nèi)，則鉛箔14被定位，其中框架11上的材料容納通路Ilb位于襯底12、112的兩個(gè)暴露表面。鉛箔14通過(guò)穿孔13機(jī)械連接在一起，并且通過(guò)設(shè)置在襯底12、112中的導(dǎo)電顆?；蚶w維112b電連接。接著第一活性材料16被定位在襯底12的一側(cè)的材料容納通道Ilb上，而第二活性材料18被定位在材料容納通道Ilb內(nèi)襯底12的另一側(cè)上。結(jié)果，框架11將襯底12、鉛箔14、和活性材料16、18封裝在雙極板10的表面邊界內(nèi)。
[0058]接著，雙極板10被彼此相鄰地堆疊，其中每個(gè)堆疊的雙極板之間設(shè)置間隔件22。電解質(zhì)20設(shè)置在電解質(zhì)容納空間22a中，電解質(zhì)容納空間22a的尺寸被設(shè)計(jì)成類(lèi)似于框架11的材料容納通路lib。纖維玻璃墊21也可以設(shè)置在電解質(zhì)容納空間22a中，并且電解質(zhì)20通過(guò)電解質(zhì)接收通道22b被提供到纖維玻璃墊21中。間隔件22和雙極板10彼此相鄰地均勻堆疊，并且隨后被密封。由于間隔件22和堆疊的雙極板10包括非導(dǎo)電外表面，所以雙極板10的間隔件22和框架11形成用于雙極性電池100的外殼。雙極板10的框架11和間隔件22可以通過(guò)本領(lǐng)域已知的任何方法固定到彼此，使得所述間隔件22和框架11的接觸表面彼此固定和密封。例如，粘合劑可用于將表面連接和密封在一起。此外，一旦接線端部30被組裝時(shí)，它們可以被定位在堆疊的雙極板10和間隔件22上，然后以相同的方式密封。
[0059]另外，也可行的是，端板38、間隔件22以及框架11包括固定機(jī)構(gòu)(未示出)，諸如接頭技術(shù)或緊固件，以將雙極性電池100的部件連接在一起。然后可涂敷密封劑以圍繞雙極性電池100提供密封，更具體地，提供圍繞連接端板38、間隔件22、和框架11的密封。
[0060]另外，也可行的是，雙極板10在沒(méi)有間隔件22的情況下彼此堆疊和固定。然而，材料容納通路Ilb應(yīng)該足夠大，以便在堆疊的雙極板10被密封在一起時(shí)保持并包封鉛箔14、活性材料16、18和包括纖維玻璃墊21的電解質(zhì)20。此外，框架11應(yīng)該包括定位在框架11的延伸部中的至少一種電解質(zhì)接收通道22b，從而使電解質(zhì)20可以被提供到框架11的材料容納通路Ilb中，或允許電解質(zhì)20的排氣。
[0061 ] 在雙極性電池100中使用的雙極板10的數(shù)量是設(shè)計(jì)選擇的問(wèn)題，取決于電池100的尺寸以及所需電勢(shì)的大小。在所示的實(shí)施例中，有至少三個(gè)彼此相鄰堆疊的雙極板10。在堆疊的雙極板10和電解質(zhì)20的相對(duì)端部上的是接線端部分30，接線端部分30包括活性材料層32、接線端板34和電極36，以及端板38。在所示的實(shí)施例中，當(dāng)被堆疊并密封時(shí)，間隔件22和框架11的外表面大體上是相互齊平的。這種設(shè)計(jì)提供了平滑的外支撐表面。然而，可能的是，在表面中可以存在凹凸。例如，間隔件22可以比框架11更大；但是，電解質(zhì)容納空間22a不能大于框架11。此外，材料容納通路Ilb不能大于間隔件22。在任一情況下，可能難以密封間隔件22和雙極板10，并且電解質(zhì)20可能在組件和電解質(zhì)20被定位在鄰近的雙極板10之間后從雙極性電池100泄漏。
[0062]此外，當(dāng)端板38鄰接相鄰雙極板10的相鄰間隔件22和/或框架11堆疊時(shí)，端板
38、間隔件22與框架11的外表面22應(yīng)該是基本齊平。然而，可能的是，在表面中可能存在凹凸。例如，端板38可以比間隔件22稍大一些，它可以是比框架11更大。盡管如此，接線端容納通路38a不應(yīng)該是比容納通道22b或框架11大。此外，接線端容納通路38a不應(yīng)該大于材料容納通路Ilb或框架，或端板38不應(yīng)該比間隔件22小。在任一種情況下，電解質(zhì)20可能在組件和電解質(zhì)20被設(shè)置在堆疊的雙極板10之間后從雙極性電池100泄漏。通常，框架11支撐雙極板10，包封襯底12、鉛箔14、和活性材料16、18，以及電解質(zhì)。當(dāng)被堆疊時(shí)，雙極板10連同相鄰的間隔件20和堆疊的端部部分30提供用于雙極性電池100的外部支撐表面。這種結(jié)構(gòu)提供了一種具有簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)、具有比現(xiàn)有技術(shù)所需更少制造步驟和更少部件的雙極性電池100。由于框架10、間隔件22和端板38都是絕緣塑料并且可模塑的，所以雙極性電池100可被定制以適應(yīng)取決于電勢(shì)和使用的形狀和尺寸要求。
[0063]在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖5中所示，還可以提供保護(hù)外殼200，其包封根據(jù)本發(fā)明的雙極性電池100。外殼200將包括本體202、蓋204和電極容納空間206，以便使電極36延伸到外殼200之外。不像雙極性電池100的外部結(jié)構(gòu)，外殼20可以用來(lái)容納雙極性電池100并提供更好的保護(hù)。[0064]前面的說(shuō)明用于實(shí)施本發(fā)明的一些可能性。在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)可以有許多其它實(shí)施例。因此，目的在于使前面的描述被認(rèn)為是說(shuō)明性的而非限制性的，并且本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求連同它們的等同的全部范圍給出。
【權(quán)利要求】
1.一種用于雙極性電池的雙極性電池板，所述雙極性電池板包括: 框架； 襯底，所述襯底定位在所述框架內(nèi)并具有多個(gè)穿孔； 定位在所述襯底的一側(cè)的第一鉛層； 定位在襯底的另一側(cè)的第二鉛層，所述第一和第二鉛層通過(guò)所述多個(gè)穿孔電連接到彼此； 定位在第一鉛層的表面上的陽(yáng)性活性材料(PAM)，以及 定位在第二鉛層的表面上的陰性活性材料(NAM)。
2.如權(quán)利要求1所述的雙極性電池板，其中所述框架是可模制的絕緣聚合物。
3.如權(quán)利要求1所述的雙極性電池板，其中所述框架是為所述雙極性電池提供結(jié)構(gòu)支撐的雙極性電池的外壁。
4.如權(quán)利要求1所述的雙極性電池板,其中所述框架包括襯底容納通道。
5.如權(quán)利要求4所述的雙極性電池板，其中所述框架包括材料容納通道。
6.如權(quán)利要求5所述的雙極性電池板，其中所述襯底容納通道將襯底固定在框架內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的雙極性電池板，其中所述材料容納通道是在襯底的表面和框架的外表面之間的區(qū)域。`
8.如權(quán)利要求7所述的雙極性電池板，其中所述襯底是與框架分離的絕緣材料件，并且所述襯底被容納并固定在框架的襯底容納通道內(nèi)。
9.如權(quán)利要求5所述的雙極性電池板，其中所述材料容納通路是在襯底的表面和框架的外表面之間的區(qū)域。
10.如權(quán)利要求9所述的雙極性電池板，其中所述材料容納通路將所述第一和第二鉛層和所述第一和第二活性材料容納在框架內(nèi)。
11.如權(quán)利要求1所述的雙極性電池板，其中所述襯底是由與所述框架相同的材料制備成單件或一體結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求1所述的雙極性電池板，其中所述襯底具有導(dǎo)電顆粒的不導(dǎo)電絕緣塑料，所述導(dǎo)電顆粒均勻地分散在整個(gè)絕緣塑料中。
13.如權(quán)利要求12所述的雙極性電池板，其中所述襯底包括導(dǎo)電表面，在導(dǎo)電表面處所述襯底的表面通過(guò)化學(xué)或磨蝕被粗糙化并且導(dǎo)電顆粒被暴露于絕緣塑料外部。
14.如權(quán)利要求1所述的雙極性電池板，其中所述穿孔沿著所述襯底定位并且延伸穿過(guò)所述襯底。
15.如權(quán)利要求14所述的雙極性電池板，其中所述鉛層是通過(guò)穿孔導(dǎo)電的鉛箔。
16.如權(quán)利要求15所述的雙極性電池板，其中所述鉛箔通過(guò)穿孔彼此機(jī)械地連接且電連接。
17.如權(quán)利要求16所述的雙極性電池板，其中所述鉛箔通過(guò)電阻焊接焊接在一起。
18.如權(quán)利要求16所述的雙極性電池板，其中所述穿孔足夠大以使得所述第一鉛層能夠在所述穿孔中并且通過(guò)所述穿孔與所述第二鉛箔連接。
19.如權(quán)利要求1所述的雙極性電池板，其中所述第一和第二鉛層是沿著所述襯底的前表面和后表面定位的鉛膏或糊狀物。
20.如權(quán)利要求19所述的雙極性電池板，其中所述第一鉛層在襯底的前表面上并且在至少一個(gè)所述穿孔內(nèi)散布，以使得所述第一鉛層連接至在相對(duì)側(cè)上的第二鉛層。
21.如權(quán)利要求1所述的雙極性電池板，其中陽(yáng)性和陰性活性材料在框架的材料容納通路內(nèi)分別定位在所述第一和第二鉛層之上。
22.如權(quán)利要求21所述的雙極性電池板，其中所述第一活性材料是涂敷在第一鉛層上的膏或糊狀物并且所述第二活性材料是散布在第二鉛層上的膏或糊狀物。
23.—種雙極性電池，包括: 彼此相鄰定位的多個(gè)板，每個(gè)板具有: 框架； 襯底，所述襯底具有多個(gè)穿孔并且被定位在所述框架內(nèi)； 定位在所述襯底的一側(cè)的第一鉛層； 定位在襯底的另一側(cè)的第二鉛層，所述第一和第二鉛層通過(guò)所述多個(gè)穿孔電連接到彼此； 定位在第一鉛層的表面上的陽(yáng)性活性材料(PAM)，以及 定位在第二鉛層的表面上的陰性活性材料(NAM)； 定位在堆疊的所述多個(gè)雙極性板的相對(duì)端部上的一對(duì)接線端部分；以及 定位在該對(duì)接線端部分和所述多個(gè)雙極性板中的每一個(gè)之間的電解質(zhì)。
24.如權(quán)利要求23所述的雙極性電池，其中，多個(gè)間隔件被定位和堆疊在所述多個(gè)板之間和在所述多個(gè)板的端部處，每個(gè)間隔件包封所述電解質(zhì)。`
25.如權(quán)利要求24所述的雙極性電池，其中，每個(gè)間隔件是用于電解質(zhì)的具有與所述框架相同的外部尺寸的外殼，并且包括電解質(zhì)容納空間。
26.如權(quán)利要求25所述的雙極性電池，其中，每個(gè)間隔件包括延伸通過(guò)間隔件并進(jìn)入電解質(zhì)容納空間的電解質(zhì)接收通道。
27.如權(quán)利要求26所述的雙極性電池，其中，當(dāng)被彼此相鄰地堆疊時(shí)，每個(gè)間隔件和框架的外表面基本上齊平。
28.如權(quán)利要求27所述的雙極性電池，其中，所述電解質(zhì)被保持在吸收玻璃墊(AGM)中，所述吸收玻璃墊(AGM)緊靠所述第一或第二活性材料安裝在電解質(zhì)容納空間和所述框架的一部分內(nèi)。
29.如權(quán)利要求23所述的雙極性電池，其中，每個(gè)接線端部分包括電極和端板。
30.如權(quán)利要求23所述的雙極性電池，其中，每個(gè)接線端部分還包括接線端板。
31.如權(quán)利要求30所述的雙極性電池，其中，接線端板是導(dǎo)電的并連接到電極。
32.如權(quán)利要求31所述的雙極性電池，其中，接線端板和電極被形成為單件或一體。
33.如權(quán)利要求29所述的雙極性電池，其中，端板是不導(dǎo)電的并包括接線端容納通路。
34.如權(quán)利要求33所述的雙極性電池，其中，接線端容納通路是端板中包封接線端板的凹部。
35.如權(quán)利要求34所述的雙極性電池，其中，保持電解質(zhì)的玻璃墊被進(jìn)一步包封在接線端容納通路內(nèi)。
36.如權(quán)利要求35所述的雙極性電池，其中，當(dāng)被彼此相鄰地定位和堆疊時(shí)，所述多個(gè)框架、所述多個(gè)間隔件和所述端板的外表面大致平齊。
37.如權(quán)利要求23所述的雙極性電池，進(jìn)一步包括包圍雙極性電池的保護(hù)外殼。
38.如權(quán)利要求37所述的雙極性電池，其中，所述外殼包括本體、蓋、和用于使電極延伸通過(guò)外殼的電極 容納空間。
【文檔編號(hào)】H01M4/14GK103875098SQ201280043585
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月9日
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