具有带有铅钙带的纤维电极的铅酸电池的制作方法

具有带有铅钙带的纤维电极的铅酸电池
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年9月20日提交的标题为“absorbent glass mat battery with lead-calcium strap[具有铅钙带的吸收性玻璃毡电池]”的美国临时专利申请序列号62/903,561的优先权，其全部内容特此通过援引以其全文并入本文。


背景技术：

[0003]
本公开内容涉及电池领域。本公开内容更具体地涉及铅酸电池领域。
[0004]
铅酸电池是已知的。铅酸电池由铅板和二氧化铅隔板构成，这些铅板和二氧化铅隔板浸没到电解质或酸溶液中。铅、二氧化铅和电解质提供了储存电能的化学手段，当电池的端子连接至外部电路时，该电能可以执行有用功。铅板、二氧化铅板和电解质与电池分隔件一起容纳在由聚丙烯材料制成的壳体内。
[0005]
启动-停止车辆可能对铅酸电池提出多种要求。车辆部件的电负载也增加，为此必须通过停止事件来支持电负载。车辆制造商正在寻求节约成本的、可靠的能量储存解决方案，该解决方案确保无缝的消费者体验。因此，需要铅酸电池的一致的可靠性能。还需要一种强健的电池，该电池可以支持附加的延长/间歇的负载并且支持停止事件的最佳持续时间和频率。为此，需要一种铅酸电池，该电池提供可持续且快速的可再充电性(例如优化的充电接受能力)以及一致的循环性能。相应地，需要一种铅酸电池，该电池具有超过现存装置的改进的性能。


技术实现要素：

[0006]
公开了一种铅酸电池。该电池包括带有盖的容器，该容器具有一个或多个隔室。在该一个或多个隔室中设置有一个或多个电池元件。这些电池元件包括正电极和负电极。该正电极具有正极集流体和与之接触的正极电化学活性材料。该负电极具有负极集流体和与之接触的负极电化学活性材料。该正电极或该负电极中的至少一个包括浸渍有相应电化学活性材料的固化碳或碳化纤维毡集流体。该固化碳或碳化纤维毡集流体包括由铅钙合金构成的框架构件。该容器内提供有电解质。一个或多个端子柱从该容器或该盖延伸并且电耦接至这些电池元件。
[0007]
还公开了一种铅酸电池的电极。该电极包括浸渍有电化学活性材料的固化碳或碳化纤维毡集流体、以及由铅钙合金构成的框架构件。
[0008]
还公开了一种集流体。该集流体包括固化碳或碳化纤维毡。固化碳或碳化纤维毡集流体包括由铅钙合金构成的框架构件。
[0009]
根据本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征以及优点在以下对实施例的各种示例的详细描述中得以描述、或从其中显而易见。
附图说明
[0010]
参照以下附图，将详细描述根据本发明的系统、装置和方法的实施例的各种示例，
在附图中：
[0011]
图1是用于与根据本文描述的实施例的一个或多个示例的铅酸电池一起使用的车辆的立体图。
[0012]
图2是根据本文描述的实施例的一个或多个示例的铅酸电池的立体图。
[0013]
图3是图2所示的铅酸电池的立体图，其中盖被移除。
[0014]
图4是根据本文描述的实施例的一个或多个示例的铅酸电池的分解立体图。
[0015]
图5是根据实施例的一个或多个示例的用于与图2至图4所示的铅酸电池一起使用的电池元件的局部侧视立视图。
[0016]
图6是用于与图2至图4所示的铅酸电池一起使用的示例电池板栅或基底或集流体的立视图。
[0017]
图7是用于与图2至图4所示的铅酸电池一起使用的示例电池板栅或基底或集流体的另一立视图。
[0018]
图8是用于与图2至图4所示的铅酸电池一起使用的替代性示例电池板栅或基底或集流体的立视图，该立视图示出了所展示的板栅的部分细节。
[0019]
图9是用于与本文描述的铅酸电池一起使用的集流体或基底，出于说明的目的而以夸大的尺寸示出了示例纤维。
[0020]
图10是用于与铅酸电池一起使用的图9的集流体或基底的另一视图。
[0021]
图11是从图10的部分11截取的图10的集流体或基底的截面图。
[0022]
图12是可以与图9至图11的集流体或基底一起使用的示例碳纤维织物的近距剖视图像。
[0023]
图13是可以与图9至图11的集流体或基底一起使用的替代性示例碳纤维织物的近距剖视图像。
[0024]
图14是可以与图9至图11的集流体或基底一起使用的替代性示例碳纤维织物的近距剖视图像。
[0025]
应该理解，附图不一定按比例绘制。在某些情况下，可能已经省略了对于理解本发明不是必需的或致使其他细节难以察觉的细节。当然，应理解本发明不一定限于本文展示的具体实施例。
具体实施方式
[0026]
参照附图，公开了电池100、特别是可再充电电池，例如铅酸电池。铅酸蓄电池的各种实施例可以是密封式的(例如，免维护的)或未密封式的(例如，湿式)。尽管描述并展示了特定示例，但电池100可以是适合于所提供的目的的任何二次电池。
[0027]
在图1中的车辆102中，提供并且示出了电池100的一个示例。虽然示出并描述了车辆电池，但是本文描述的公开内容和系统不限于此。电池100可以是任何类型的铅酸电池，包括例如工业或备用电池、以及其他类型的铅酸电池。参照图2至图4，电池100是铅酸电池。铅酸电池100由包括盖116的壳体114或容器构成。对于容器或壳体114设置有盖116，并且该盖可以被密封至容器114。在各种实施例中，容器114和/或盖116包括电池端子118a、b。电池盖116还可以包括一个或多个灌装孔帽和/或排气组件120(参见图2)。壳体114和盖116可以主要由聚合物材料构成。在实施例的一个或多个示例中，聚合物材料可以是回收的聚合物
材料。在电池100中，在壳体114内，可以包括电解质，该电解质通常包括硫酸。
[0028]
正电极或正极板104和负电极或负极板106位于容器114内。参照图4，电极104、106包括导电的正极或负极集流体或基底或板栅124、126或集流体1001，如本文进一步详细讨论的。为此，“板栅”可以包括活性材料的任何类型的机械或物理支撑件。正极糊膏或电化学活性材料128被设置成与正极板栅124接触和/或设置在该正极板栅上，并且负极糊膏或电化学活性材料130设置在负极板栅126上。正电极或正极板104与负电极或负极板106之间设置有分隔件108。在保持的电解质类型的电池100中，分隔件108可以是多孔且吸收性玻璃毡(agm)。在实施例的一个或多个示例中，铅酸电池在本文中可以是agm铅酸电池。
[0029]
多个正电极或正极板104和多个负电极或负极板106(连同分隔件108)通常构成电化学电池元件110的至少一部分(参见图3至图4)。参照图3至图4，根据铅酸蓄电池100的容量，多个板或电极组或册(book)或电池元件110可以是电连接的，例如，以串联或其他配置电耦接。可以以叠合体或组或电池元件110的形式设置有多个正电极或正极板104和负电极或负极板106，用以产生具有预先确定的电压的电池，例如，车辆102中的12伏电池。电池元件110或群或组的数目可以变化。在阅读本说明书后，对于本领域技术人员也将是显而易见的是，在任何具体群中的电极104和/或106的大小和数目(包括各个集流体的大小和数目)、以及用于构造电池100的群的数目可以取决于希望的最终用途而变化。在包括设置在容器或壳体114的一个或多个独立隔室112中的若干电池元件110的agm铅酸电池100中，电池元件叠合体110可以在插入期间被压缩，从而减小分隔件108的厚度。
[0030]
每个集流体具有突耳134(参见图4)。在图3至图4中，设置有一个或多个汇流排铸焊(cast-on strap)或电池元件间连接器136，在电极或板组或电池元件110中，该一个或多个汇流排铸焊或电池元件间连接器电耦接与具有相似极性的突耳134电耦接，并且用以连接电池100中其他相应组或电池元件110。元件的连接可以是单一元件、并联连接(容量加倍、电压相同)或串联连接(例如，电压相加，即，4v、6v等，而容量相同)。还可以设置电耦接至电池元件110的一个或多个正极端子柱118a和一个或多个负极端子柱118b(图2至图4)。取决于电池设计，此类端子柱118a、b典型地包括可以延伸穿过盖和/或容器壁的部分。将认识到的是，多种端子布置均是可能的，包括本领域已知的顶部、侧部、前部或角落配置。电池元件间连接器136和/或端子118a、b可以由铅或铅合金构成。在一个或多个示例中，铅可以是回收铅。
[0031]
如所描述的并参照图4至图8，电极104、106包括导电的正极或负极集流体或基底或板栅124、126。在实施例的一个或多个示例中，正极板栅或集流体或基底124和/或负极板栅或集流体或基底126可以由铅或铅合金构成，在实施例的一些示例中，铅或铅合金可以是回收铅或包括回收铅。
[0032]
然而，如本文所使用的“板栅”可以包括活性材料的任何类型的机械支撑件。例如，根据本文描述的实施例的一个或多个优选示例，正极板栅或负极板栅中的至少一个可以包括纤维材料，比如，纤维毡1005。根据实施例的一个或多个优选示例，集流体是形成导电纤维基质1005的导电纤维材料。更具体地，导电纤维材料或导电纤维基质1005可以是由碳或碳化纤维制成的毡。纤维可以是纺织纤维材料。例如，在各种实施例中，集流体可以被理解为由毡状织物材料形成。相应地，本领域技术人员应了解，碳化纤维毡1005可以具有类似于图12至图14所示的纤维毡的外观，并且纤维可以是织造的或非织造的(参见图9至图12)。在
图9至图10中，毡或基质1005的碳化纤维以夸大尺寸示出，以展示可能存在于纤维织物内的空隙(下文进一步详细讨论)。导电纤维基质在纤维之间提供由纤维基质内的空隙形成的空隙体积。这些空隙可以由活性材料或糊膏或电解质填充。空隙和纤维还为集流体提供了增大的表面积。在实施例的一个或多个示例中，导电纤维毡1005可以经历固化步骤，以将纤维毡转变成刚性集流体或基底。导电纤维材料也可以以多层或单层存在。
[0033]
集流体或基底1001可以具有联接至毡部分1005的带或框架构件1003。带1003结合至纤维毡1005的顶部边界。铅合金带可以通过穿入到纤维材料的纤维中和/或纤维之间而连接至纤维毡或基底。带1003沿着集流体1005的边缘延伸，并且优选地沿着集流体的边缘的整个长度延伸。此带可以被理解为与毡部分1005电连通。相应地，参照图9至图11，集流体或基底1001包括导电纤维(例如，碳化纤维)毡1005，该毡附连到具有突耳134的带1003。在这方面，铅合金带1003在其顶部部分上具有突耳134，以用于电池100内的电连接。
[0034]
具有突耳的带可以由比如铅等金属形成。在各种实施例中，带或框架构件1003可以由金属或铅合金构成。具体地，在各种实施例中，合金可以是钙合金或钙锡合金。在各种实施例中，带或框架构件1003可以包括铅钙合金。在实施例的其他示例中，框架构件1003可以是铅钙锡合金。虽然描述了铅钙合金和铅锡钙合金，但是多种合金应该被理解为在本公开内容的范围内。在实施例的一些示例中，铅合金可以包括铝、锡、银、锑和/或钙中的一种或多种。同样，合金可以还包括一种或多种杂质。
[0035]
参照图6至图14，基底或板栅或集流体124、126、1001可以由相同或相似的材料构成。然而，设想到，正电极104和负电极106或集流体之间的材料组成也可以变化。为此，集流体中的一个或两个(正极、负极或两者)可以是冲压或冲孔的全框架板栅124、126，它们具有框架137和形成开放空间139的图案的板栅线138的径向布置(适合于与本文描述的本发明一起使用的板栅124、126的各种示例示出并描述在以下美国专利号中：5,582,936；5,989,749；6,203,948；6,274,274；6,953,641、8,709,664和9,130,232，这些专利特此通过援引并入本文)。在各种实施例中，一个或两个集流体(正极、负极或两者)可以包括导电纤维毡(例如，集流体1001)。在一些实施例中，只有正电极104可以包括导电纤维毡集流体1001。在实施例的其他示例中，只有负电极106可以包括导电纤维毡集流体1001。相应地，在实施例的各种示例中，正电极104或负电极106的板栅或基底可以是冲孔板栅、连续铸造(连铸)板栅、延展金属板栅、碳或碳化毡或纤维基底、陶瓷等。在实施例的一些示例中，板栅或集流体还可以包括表面粗糙化或可以经受一种或多种不同的表面处理(例如，溶剂、表面活性剂和/或蒸汽清洗)，比如尤其可以用于提高糊膏粘附性。在实施例的一个示例中，正极和负极集流体还可以由不同厚度形成。然而，设想到，集流体可以具有相同厚度。每个集流体的厚度可以基于希望的制造和性能参数变化。例如，可以基于制造要求(例如，关于糊膏粘附性的最低要求、提高的循环性能、耐久性)或其他合适的参数来确定厚度。尽管出于说明的目的提供了特定示例，但对其作出改变以提供适合于具体应用的板栅尺寸。同样地，尽管出于示例的目的描述了集流体、板栅和基底布置以及板栅或基底类型的特定示例，但是本领域技术人员应了解，适合于电池100的目的的任何板栅结构或布置都可以代替所描述的板栅/基底124、126、1001。
[0036]
如在本文中的各种实施例中描述的，正电极或正极板104和负电极或负极板106是糊膏类型电极(图4)。因此，每个板104、106包括涂有电化学活性材料128、130的集流体或板
栅124、126、1001。更具体地，糊膏类型电极包括充当基底的集流体或板栅，并且电化学活性材料或糊膏被设置成与该基底接触和/或设置在该基底上。集流体或板栅124、126、1001(包括正极板栅和负极板栅)在可以用于传导电流的正极和负极电化学活性材料或糊膏128、130之间提供电接触。更具体地，正极糊膏128被设置成与正极板栅124接触和/或设置在该正极板栅上，并且负极糊膏130被设置成与负极板栅126接触和/或设置在该负极板栅上。也就是说，正极板104包括其上具有或载有正极电化学活性材料或糊膏128的正极板栅124，并且在实施例的一些示例中，可以包括蓄电池电极吸水纸(pasting paper)或由纤维构成的织造或非织造片材料(例如，“稀松布(scrim)”)132；并且负极板106包括其上具有或载有负极电化学活性材料或糊膏130的负极板栅126，并且在实施例的一些示例中，可以包括蓄电池电极吸水纸或稀松布132。在实施例的一个或多个示例中，稀松布可以由玻璃纤维构成或包括玻璃纤维。在其他示例中，稀松布可以包括其他纤维材料，比如但不限于聚合物。
[0037]
如图10所描述和示出，集流体1001可以包括纤维毡部分1005，该纤维毡部分可以包括例如多根碳化纤维。在此示例中，集流体可以提供有糊膏并被固化，从而形成了电极。也就是说，集流体1001可以被理解为浸渍有糊膏并且已经历固化步骤(在用糊膏浸渍之前或之后)以产生刚性板栅。
[0038]
电化学活性材料或糊膏(正极和负极)可以由包括铅或氧化铅的组合物形成。在一个或多个示例中，铅可以是回收铅。众所周知，糊膏或电化学活性材料(正极或负极)通常是铅和氧化铅或二氧化铅颗粒和稀硫酸的混合物，并且可以包括其他添加剂，比如，碳、硫酸钡和/或膨胀剂(比如，木质素磺酸盐)。添加剂可以以不同的量和组合提供给糊膏(正极和/或负极)，以适应电池的预期目的。还可以提供实现本文描述的目的的替代性负极物质/糊膏配方。还设想到，糊膏混合物中可以存在其他材料或组合物，例如，水、纤维(例如，聚合物或玻璃)、硫酸等。与含铅糊膏组合物一起可以使用不同的材料，本发明不受任何具体材料或混合物(添加的纤维或其他成分)的限制。如由很多因素确定的，这些材料可以单独使用或组合使用，这些因素包括例如电池100的预期用途和电池中使用的其他材料。
[0039]
更详细地，正电极或正极板104可以包含基底或板栅124或1001，其上具有二氧化铅活性材料或糊膏128或与之接触。负电极或负极板106可以由基底或板栅126或1001构成，其上具有海绵状铅活性材料或糊膏130或与之接触。在优选的实施例中，负极糊膏130可以基本上与正极糊膏128相似，但是也可以不同。此外，负极活性材料或糊膏130可以还含有纤维和/或“膨胀剂”添加剂，其尤其可以有助于维持活性材料结构并且改进性能特性。
[0040]
如所指出的是，正电极或正极板104与负电极或负极板106之间设置有分隔件108(参见图4至图5)。agm铅酸电池具有被吸收性玻璃毡108分开的正电极或正极板104和负电极或负极板106，该吸收性玻璃毡吸收并保持电池的酸或电解质，并且防止其在电池100内部自由流动(参见图5)。为此，分隔件108可以是多孔且吸收性玻璃毡(agm)。工作电解质的饱和度处在低于100％饱和度的某一值，以允许氢气和氧气的重组反应。在一些示例中，吸收性玻璃毡108还可以与附加的分隔件(未示出)一起使用；多种常见可商购分隔件在本领域中是已知的。分隔件可以是包裹住板或电极的“u形”分隔件，但是分隔件或agm可以是单一片材，或者例如可以是具有被2个层分开的板的单一长度的折叠件。相应地，在各种实施例中，包括集流体(例如，集流体1001)的电极可以进一步被包裹在分隔件中或与分隔件交织在一起。可以使用单层或双层分隔件108。例如，正极板104上可以设置有分隔件，并且正
极板/负极板104、106也可以使用agm 108。
[0041]
电池100中可以包括电解质，该电解质通常是硫酸。在各种示例中，电解质可以包含一种或多种金属离子。为此，硫酸电解质可以是包含一种或多种金属硫酸盐的硫酸溶液。
[0042]
相应地，如上所述，提供了一种铅酸电池。该电池包括带有盖的容器，该容器具有一个或多个隔室。在该一个或多个隔室中设置有一个或多个电池元件。这些电池元件包括正电极和负电极。该正电极具有正极集流体和与之接触的正极电化学活性材料。该负电极具有负极集流体和与之接触的负极电化学活性材料。该正电极或该负电极中的至少一个包括浸渍有相应电化学活性材料的固化碳或碳化纤维毡集流体。该固化碳或碳化纤维毡集流体包括由铅钙合金构成的框架构件。该铅钙合金可以是铅钙锡合金。该容器内提供有电解质。一个或多个端子柱从该容器或该盖延伸并且电耦接至这些电池元件。
[0043]
还提供了一种铅酸电池的电极。该电极包括浸渍有电化学活性材料的固化碳或碳化纤维毡集流体、以及由铅钙合金构成的框架构件。该铅钙合金可以是铅钙锡合金。
[0044]
还提供了一种集流体。该集流体包括固化碳或碳化纤维毡。固化碳或碳化纤维毡集流体包括由铅钙合金构成的框架构件。该铅钙合金可以是铅钙锡合金。
[0045]
形成有包括导电纤维毡和铅钙合金或铅钙锡合金带的集流体的铅酸电池和电极具有多种优点。特别地，除了可归因于碳纤维基质或毡的使用的独特特性之外，用于与该碳纤维基质或毡连接的带的合金可以具有多种优点，包括但不限于与毡部分的结合增强。所描述的铅合金还可以提高边界的刚性和强度，这可以改善处理和涂敷，并克服比如突耳弯曲或卷曲等负面影响。铅合金可以提高密度、导电性和拉伸强度。铅合金可以提高带的硬度和强度，同时赋予良好的熔融、铸造和润湿特性。铅合金还可以有助于减少电池寿命期间水的消耗，减少电解质发散和氢气的产生，具有较好的自放电性质和一致的电流汲取。前述优点在铅酸电池中尤其产生了改进的性能(包括充电接受能力)。
[0046]
尽管示出了特定示例，但是本领域技术人员将认识到这些仅是示例，并且可以在不背离本发明的整体范围的情况下在其上进行改变。
[0047]
如本文所用的，术语“约”、“大约”、“基本上”以及相似的术语旨在具有与本公开内容的主题所属领域的普通技术人员来说常见的和可接受的用法一致的宽泛的含义。阅读本公开内容的本领域技术人员应理解，这些术语旨在提供对所描述的以及要求保护的某些特征的描述，而不将这些特征的范围限制为所提供的准确数值范围。相应地，这些术语应被解释为表示，对所描述的以及要求保护的主题的非实质性的或无关紧要的修改或改变被视为在所附权利要求中所述的本发明的范围内。
[0048]
应当注意，在本说明书中对相对位置(例如，“顶部”和“底部”)的引用仅用于标识各种元件如在附图中的定向。应当认识到，特定部件的取向可能取决于使用它们的应用而产生很大变化。
[0049]
出于本公开内容的目的，术语“联接”意指两个构件直接或间接地彼此接合。此种接合可以本质上是固定的或本质上是可移动的。通过将这两个构件或这两个构件与任何附加的中间构件彼此整合地形成为一体件，或通过将这两个构件或这两个构件与任何附加的中间构件彼此附接，可以实现此种接合。此种接合本质上可以是永久的，或者本质上可以是可移除的或可释放的。
[0050]
重要地还要注意，如实施例的各种示例中示出的系统、方法和装置的构造和布置
仅是说明性的。尽管在本公开内容中只对几个实施例进行了详细描述，但阅读本公开内容的本领域技术人员将容易了解到，在实质上不背离所述主题的新颖教导和优点的情况下，许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例的变化，参数的值、安装布置、材料使用、颜色、取向等)。例如，示出为一体地形成的元件可以由多个部分构造，或者示出为多个部分的元件可以一体地形成，接口的操作可以颠倒或以其他方式改变，系统的结构和/或构件或连接器或其他元件的长度或宽度可以改变，设置在元件之间的调节位置的性质或数目可以改变(例如，通过接合槽的数目或接合槽的大小或接合类型的改变)。任何过程或方法步骤的顺序或次序可以根据替代性实施例来变化或重新排序。在不背离本发明的精神或范围的情况下，可以在实施例的各种示例的设计、运行条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略。
[0051]
尽管已经结合以上概述的实施例的示例描述了本发明，但是对于本领域中至少具有普通技术的人员而言，各种替代方案、修改、变化、改善和/或基本等同方案，无论是已知的或是现在或可以不久预见的，都可能变得显而易见。相应地，如上陈述的本发明的实施例的示例旨在是说明性的而非限制性的。在不背离本发明的精神或范围的情况下，可以进行各种改变。因此，本发明旨在包括所有已知或较早开发的替代方案、修改、变型、改善和/或基本等同方案。
[0052]
本说明书中的技术效果和技术问题是示例性而非限制性的。应当注意，本说明书中描述的实施例可以具有其他技术效果并且可以解决其他技术问题。