專利名稱：鉛酸電池的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明的領域是能量儲存設備，更具體地是雙極性鉛酸電池(BLAB)和閥控式雙極性鉛酸電池(VR-BLAB)。
背景技術：
雙極性鉛酸電池的一般概念已知數十年，Peter Kapitsa在19世紀30年代報道了由單個鉛片制成的第一種可操作的電池。盡管其顯然很簡單，但雙極薄膜電池提供了眾多顯著的優(yōu)勢。例如，由于內部路徑長度相對短和由于電極面積相對大，內阻一般很低，導致最少熱量生成的迅速充電和放電循環(huán)。正是這些和其他優(yōu)勢使雙極性鉛酸電池對汽車和機車的混合動力車輛和再生制動系統具有吸引力。此外，由于其雙極性結構，降低了重量并簡化了生產。但是，到目前為止若干缺陷阻礙了雙極性鉛酸電池的廣泛應用。除了其他方面，鉛是相當差的構建材料，因為其在負載下蠕變(即，除非連接在更強支撐物——如鋼上，否則鉛片會在其自身的重量下塌落)，并且通常需要另外的材料來支撐鉛，這導致重量增加。更進一步，鉛的蠕變一般導致表面破裂和裂縫形成，其在大多數情況下會加速腐蝕(應力腐蝕)。為了降低雙極性電極的總重量，可利用不導電的載體材料，然后可將活性電極材料用于其，例如，如在EP 0 607 620中所述，這里用鉛填充塑料蜂窩結構；或如在EP 0 848 442中所述，這里兩條相對的電連接帶被安排在不導電塑料板的任一側。同樣，如美國專利號5，126，218所教導，利用包含亞化學計量的二氧化鈦材料的導電插頭提供不導電的輕量載體，該載體具有連接載體兩側的導電通道，而美國專利號3，819，412教導了鉛鉗位電路的應用，用于相同的目標?；蛘?，如GB 2 371 402所述，述及將導電材料直接并入另一個不導電的聚合物板，從而形成雙極性電極。盡管這種電極結構有利地增大電勢能量/重量比時，仍存在若干缺陷。例如，鉛的陽極腐蝕是常規(guī)鉛酸電池的常見失效方式，為本領域普通技術人員所熟知。檢查通常顯示支撐柵極沿應力腐蝕裂縫的斷裂。當鉛柵極斷裂時，活性材料一般從柵極離開，并堆積在單元(cell)底部的泥區(qū)(mud space)中，最終形成引起單元短路的橋。 為了克服這樣的問題，大工業(yè)鉛電極(例如，如商業(yè)電合成中所用的鉛電極)通常利用插入和焊接于鉛片的鋼板消除蠕變。這種電極有利地增加電化學設備在強硫酸下的壽命，并通常延遲甚至防止應力腐蝕。但是，這樣的結構由于巨大的重量和空間要求一般不為雙極性鉛酸電池所期望的。此外，促使雙極性電極鉛酸電池失效的主要因素之一是電解質通過雙極性電極 (雙極(bipole))邊緣周圍的焊縫遷移，其一般由馬蘭戈尼效應驅動。該密封問題尤其在雙極的陽極側反復出現，其已被證明本質上不可能以可靠和持久的方式密封。在這樣的失效情況下，電解質生成雙極的陽極和陰極側之間的導電橋，并且已做出大量嘗試以更堅固地密封雙極。但是，由于多種因素，尤其熱膨脹、馬蘭戈尼效應和鉛酸電池中的相對腐蝕性環(huán)境，這樣的嘗試沒有產生滿意的結果。更進一步地，陽極材料容易隨時間推移而脫落，并堆積在電極下的空間中，最終導致短路和電池故障。因此，仍有這樣的未滿足的需要提供改善的電池結構和方法，以改善鉛酸電池， 尤其是雙極性鉛酸電池的壽命和循環(huán)特性。發(fā)明概述本發(fā)明涉及克服迄今已知的BLAB的多個缺陷的多種BLAB結構和方法。更具體地，本文提供的BLAB包含維持電解質于凝膠形式的抗壓隔板(compression resistant s印arator)，其不僅使單元組(電池組，cell stack)堅固地擠壓(由此消除陽極活性材料的脫落)，而且使BLAB的運行沒有關于電解質遷移的問題(甚至其中雙極沒有任何密封防止溶劑遷移)。更進一步地，由于優(yōu)選的BLAB中的電極被配置為準雙極性電極，避免了其他與電極的針開孔缺陷相關的問題，并且能量-重量比大大增加。在本發(fā)明主題的一個示例性方面，雙極性鉛酸電池包含被抗壓隔板隔離的第一和第二雙極性電極，該抗壓隔板進一步包含凝膠形式的電解質。最優(yōu)選地，隔板包含熱解硅石和惰性填充材料，和/或使電解質膠化為足以使電池運行而不密封由雙極性電極形成的單元的程度。在更進一步優(yōu)選的方面，單元在雙極性電極之間包含空隙體積(void space)，并且導熱材料被置于空隙體積的至少部分中，從而有助于從電極組內散熱。此外，一般優(yōu)選將單向閥(例如，鴨嘴閥)連接于單元，從而使氣體從單元排出。而且，優(yōu)選所考慮的雙極性電池中的至少一個電極是準雙極性電極。例如，適當的準雙極性電極包含不導電的載體，該載體具有在載體中形成的開孔，其中導電材料被置于至少一些開孔中，并且其中薄鉛片被層壓至電極的兩個表面。因此，在本發(fā)明主題的另一個示例性方面，雙極性鉛酸電池包含具有不導電載體的準雙極性電極，該載體具有在載體的第一和第二表面之間形成的多個開孔。導電材料被置于多個開孔中，并且第一和第二個鉛片被分別連接至第一和第二表面。最優(yōu)選地，陽極活性材料層被連接至第一個薄片，陰極活性材料層被連接至第二個薄片，其中陰極活性材料層可進一步包含抗壓間隔結構。更進一步考慮在這樣的電池中，將第一和第二抗壓隔板分別連接至陽極活性材料層和陰極活性材料層，其中第一和第二抗壓隔板包含凝膠形式的電解質。盡管不限于本發(fā)明主題，一般優(yōu)選不導電載體由合成聚合物和/或陶瓷材料制成，并且優(yōu)選導電材料包含鉛。類似地，一般優(yōu)選隔離結構由合成聚合物和/或陶瓷制成。 至于抗壓隔板，一般優(yōu)選隔板材料包含熱解硅石和惰性填充材料。此外，在第二準雙極性電極被連接于準雙極性電極而形成單元的情況下，電池也可包含單向閥——以使氣體從單元排出，和/或導熱材料——該導熱材料被置于單元中形成的空隙體積的至少部分中。因此，從另一個角度而言，發(fā)明人考慮了減少電池中電解質遷移的方法，其中將包含凝膠形式電解質的抗壓隔板置于第一雙極性電極的陽極活性材料和第二雙極性電極的陰極活性材料之間。然后使第一和第二雙極性電極以及隔板排列形成電池的單元，并向第一和第二電極施用至少IOkPa (最優(yōu)選20kPa至150kPa之間)的機械壓力。如上，一般優(yōu)選將雙極性電極配置為準雙極性電極，并特別優(yōu)選如此雙極性電極包含具有第一和第二表面的載體，并且第一和第二鉛片分別被連接至第一和第二表面。更進一步優(yōu)選抗壓隔板包含熱解硅石和惰性填充材料，并優(yōu)選陰極活性材料進一步包含抗壓間隔結構。此外，單元可在第一和第二雙極性電極之間具有空隙體積(void space)，該空隙體積優(yōu)選被導熱材料充填。此外，在需要的情況下，可將單向閥連接至單元，從而使氣體從單元排出。本發(fā)明的多個目標、特征、方面和優(yōu)勢由于本發(fā)明優(yōu)選實施方式的以下詳細描述而將變得更加明顯。附圖簡述

圖1是根據本發(fā)明主題所述的一種示例性VR-BLAB的照片。圖2是根據本發(fā)明主題所述VR-BLAB的示意圖。圖3A是根據本發(fā)明主題所述準雙極性電極的不同視點的示意圖。圖;3B是根據本發(fā)明主題所述準雙極性電極的細節(jié)的不同視點的示意圖。圖4是顯示根據本發(fā)明主題所述電池的脈沖性能的曲線圖。圖5A-5C是圖解BLAB和比較實例的充電/放電循環(huán)數據的表格。發(fā)明詳述根據本發(fā)明，以這樣的方式構建雙極性鉛酸電池，最優(yōu)選閥控式BLAB 以簡單和簡明的方式解決迄今已知的雙極滲漏、應力腐蝕和重量相對高的問題。在特別優(yōu)選的方法和設備中，電池的隔板包含使電解質膠凝從而防止雙極周圍的滲漏的材料。最優(yōu)選地，將這樣的隔板配置為耐受壓力，從而更進一步改善電池的運行參數。在需要的情況下，所考慮的電池也將包含準雙極電極，其中(一般不導電的)輕量板形材料具有多個開口(window)。然后用鉛填充該開口，并且在兩個鉛薄膜之間層壓該板，從而得到可用作雙極構造的基礎的復合結構。盡管不限于本發(fā)明主題，進一步特別優(yōu)選陰極活性材料(NAM)被傳導地連接至雙極(bipole)，并且包含柵極或其他多開孔結構，以使該柵極或結構維持NAM與雙極接觸，而防止NAM被擠壓。優(yōu)選地，這樣的柵極(例如，骨架結構)會有利地具有與滿電狀態(tài)NAM的厚度相同的高度。因此，可在兩側擠壓雙極至所需壓力，而沒有不利地影響電極的性能。然后利用導熱材料，最優(yōu)選利用粘性材料——從而形成散熱途徑——實現空隙體積的填充和雙極的密封。此外，一般優(yōu)選這種電池進一步包含單向閥，該單向閥使不同量的氣體從電池的不同單元獨立地排出。在這種情況下，特別優(yōu)選單向閥是鴨嘴閥，并且排入共同的空間， 然后通過一個或多個可控的閥將被排出的氣體從該空間釋放。例如，圖1是根據本發(fā)明主題所述的閥控式BLAB的照片，這里電池100具有將單元共同維持在一起的構架和端板。常用的排氣閥160從構架突出，端子(terminal) IOlA和 IOIB被電連接至終端單極電極(圖中不可見)。圖2是另一個示例性電池200的更詳細示意圖，其包含多個雙極性電極210。雙極性電極210中的每一個被配置為準雙極性電極(參見圖3B)，并包含優(yōu)選不導電載體212，在該載體各一側通過鉛片(未顯示，參見圖3A)連接陽極活性材料214和陰極活性材料216。通過包含膠化的電解質的抗壓隔板220將鄰近的雙極性電極隔開，其中陽極活性材料214、陰極活性材料216和包含膠化的電解質的抗壓隔板220形成電池單元(cell) 230。該單元組裝為單元組，單元組的外部陽極和陰極活性材料被分別電連接至單極端電極MOA和MOB。
優(yōu)選將雙極性電極的每一個與構架組裝，以使電極與隔板組合在一起。在特別優(yōu)選的方面，如此形成的單元會具有空隙體積，該空隙體積通常必須被密封，從而避免電解質從單元滲漏和電解質遷移。但是，由于電解質以凝膠形式保持在隔板中，滲漏被完全避免， 并且電池可運行而不用密封單元。此外，由于隔板抗壓，可向端電極施加顯著的力，從而擠壓單元組和避免陽極材料脫落。在需要的情況下，然后用導熱材料260充填單元中的至少一些空隙體積，以促進熱量由電池內部向外部的轉移。此外，一般優(yōu)選各個單元提供有單向閥252，以使氣體(主要是壓)排入單元上部的共同空間，然后該氣體可通過共同閥250被排放，從而將氣體轉移至電池外的區(qū)域。圖3A提供了雙極性電極的更詳細示意圖，其中左圖描述了電極的一側，右圖描述了電極的對側，并且其中中間部分描述了部分分解的側視圖。在此，不導電的載體312位于中心。鉛片312A和312B連接至載體312(—般是層壓的)的兩側，陽極活性材料314和陰極活性材料316分別連接至鉛片312A和312B。位于陰極活性材料中的是抗壓間隔結構 316'(一般被配置為柵極、不規(guī)則形狀的網或其他結構)。然后將第一和第二抗壓隔板320 覆蓋各自的活性材料。圖;3B顯示準雙極的另一個詳細視圖，其中不導電的載體312具有連接板形載體各表面的開孔312’(虛線)。位于開孔中的是鉛元件313(或其他導電材料)，從而提供表面之間的電流連接。最優(yōu)選地，將鉛片312A(和312B，未顯示)層壓至載體上，以使鉛元件與相對表面上的鉛片電連接。然后向該組件上應用陰性和陽極活性材料(未顯示)。最典型地，鉛片具有比陰極和/或陽極活性材料層的厚度更大的厚度。因此，應當理解的是可制備雙極(最優(yōu)選準雙極)鉛酸電池，其中通過抗壓隔板隔開第一和第二(準)雙極性電極，在該隔板中電解質保持凝膠形式。最優(yōu)選地，這種電池由此會包含準雙極性電極，該準雙極性電極由在載體的第一和第二表面之間具有多個開孔的不導電載體形成，并且其中導電材料位于開孔中。盡管不限于本發(fā)明主題，第一和第二鉛片被分別連接至第一和第二表面，并且陽極活性材料層被連接至第一薄片，而陰極活性材料層被連接至第二薄片。更進一步一般優(yōu)選陰極活性材料層也包含抗壓間隔結構。典型地，所考慮的電池會具有分別連接至陽極活性材料層和陰極活性材料層的第一和第二抗壓隔板， 其中第一和第二抗壓隔板包含凝膠形式的電解質。本文所用的術語“抗壓隔板”指這樣的隔板可耐受電池組中至少30kPa的機械壓力，而沒有厚度損失或具有等于或小于10%的厚度損失。然而最典型地，優(yōu)選的抗壓隔板會耐受至少50kPa的壓力，甚至更典型地會耐受電池組中至少IOOkPa的壓力，而具有等于或小于10%，更優(yōu)選等于或小于5%，最優(yōu)選等于或小于3%的厚度損失。因此，優(yōu)選的隔板會包含適于耐受此壓力的陶瓷或聚合物材料。此外，特別優(yōu)選根據本發(fā)明主題所述的隔板在與電池活性材料接觸的同時也具有保存電解質的能力。優(yōu)選通過保持凝膠形式的電解質實現這樣的能力，其中認為所有已知的膠凝劑適于本文的應用。例如，適當的膠凝劑可以是有機聚合物或無機材料。在本發(fā)明主題的一個特別優(yōu)選的方面，電解質被固定在形成隔板的微孔凝膠中，從而防止雙極的陽極和陰極側之間的導電橋，由此使雙極性電池能具有與常規(guī)鉛酸電池相當或比常規(guī)鉛酸電池更好的日程(calendar)和循環(huán)壽命。在其他適當的隔板中，發(fā)明人已發(fā)現AJS(酸性膠凝隔板)(例如，購自Daramic，LLC)不僅能耐受壓力，而且能抑制電解質遷移越過電極邊界。這樣的優(yōu)勢在BLAB領域中還未被認識到。事實上，發(fā)明人發(fā)現應用這種電解質固定可制成BLAB，該BLAB可連續(xù)運行 (即，經過若干充電/放電循環(huán))，而不用對BLAB單元進行任何密封。Daramic AJS是用6 至8wt%干熱解硅石充填的合成微孔材料。當AJS用1. ^s. g.(比重)電解質飽和時，其硅石組分與后者反應生成凝膠。因此，認為電解質被凝膠的氫鍵或范德華力(Van-der-Waals) 和/或被隔板中的孔固定，這樣使得即使在空氣中也沒有泄露。凝膠電解質受限的機動性防止導電橋在雙極的陽極和陰極側之間出現。美國專利號6，IM，059描述了進一步適當的材料，該專利在此引入作為參考。但是，在本發(fā)明主題可供選擇的方面，要注意的是考慮空間穩(wěn)定的材料(即，可在厚度損失小于10 %，更優(yōu)選小于5 %下耐受lOOltfa的壓力的材料) 和膠化的電解質的全部組合適于本文的應用。應當注意的是迄今已知的單極VRLA(閥控式鉛酸)電池沒有電解質橋分流活性材料的問題(因為不存在雙極電極)，并且即使單極結構的隔板會泄露，電池也不會受到影響。相反，雙極性電池具有顯著的滲漏問題，其還未被迄今已知的技術可靠地解決。因此， 利用AJS固定電解質提供獨一無二的有效解決方案。從不同的角度來看，應當理解的是雙極結構的AJS材料通過膠凝和微孔中的保持固定陰極電解質和陽極電解質。特別應當理解的是AJS材料的進一步重要優(yōu)勢是其在壓力下非常有限的空間屈服，該壓力一般被施用于鉛酸電池，尤其是VRLA的雙極。不像通常在壓縮下屈服的常用 AGM (纖維吸收玻璃墊)隔板，AJS材料允許活性材料被壓縮至期望的壓力30至IOOkPa,甚至更高。至于對隔板材料的壓縮，應當注意的是在常規(guī)單極電池的制備過程中施用上述壓力而對電池沒有破壞幾乎是不可能的，因為在大多數單極電池中，單極構建組與已插入的隔板被連接在一起。然后將板組推入塑料盒腔，以制備連續(xù)的單元。因此，為了將電極推入盒中，必須提供一定間隙，否則摩擦會擦去一些活性材料。由于盒空間上穩(wěn)定，在循環(huán)過程中從而生成維持電極不脫落的任意壓力。在BLAB的情況下，可在組裝后循環(huán)前對全部單元施用壓力。將各電極加上其隔板在另一個上部組裝，并壓緊，可利用外部夾具設置保壓壓力(packing pressure)，以使組裝過程和循環(huán)過程中沒有脫落發(fā)生。特別應當理解的是，充電過程中當活性材料收縮(考慮到陽極中硫酸鉛相對于二氧化鉛和陰極中鉛相對于硫酸鉛占據的體積)時最可能脫落。因此，所考慮的BLAB電池隔板材料的特別且迄今未認識到的優(yōu)勢是材料在壓縮下不屈服和 /或不由于由活性材料的厚度改變引起體積改變而滴下電解質。常規(guī)的膠化電解質未能提供這些優(yōu)勢。當陽極活性材料(PAM，一般由氧化鉛和基本硫酸鉛的組合制成)需要這樣的壓縮以減緩其脫落時，降低其多孔性和厚度對陰極活性材料(NAM)是不利的。為了避免與NAM 壓縮相關的問題中至少一些，發(fā)明人現已引入骨架結構，將其連接NAM，并且其與陰極電極表面接觸。在本發(fā)明主題的特別優(yōu)選方面，骨架結構包括由厚度等于NAM厚度的玻璃纖維網制成的柵極(grid)。然后將陰性鉛膏(paste)充入網腔，其表面恰好朝向隔板(沒有柵極線的過度涂漿(over-pasting))。這樣的設計使NAM能避免由AJS施加的擠壓。盡管與NAM 具有良好的接觸面，AJS被阻止在后者上施加力量。當然，應當注意的是，多種可供選擇的骨架結構同樣適合，包括穿孔板和其他多孔的和結構上穩(wěn)定的材料(一般不導電)。最優(yōu)選地，骨架結構由在硫酸中穩(wěn)定并具有所需機械性質(熱塑性材料，如ABS、PP極品PC)的材料制成。骨架材料一般會在100%充電狀態(tài)下具有與NAM相同的厚度，從而在骨架材料的空隙體積中包含的隔板NAM之間起支持物作用。因此，從不同的角度來看，要注意的是發(fā)明人也考慮通過在第一雙極性電極的陽極活性材料和第二雙極性電極的陰極活性材料之間安置抗壓隔板，減少甚至完全消除雙極性鉛酸電池中電解質的遷移的方法，該抗壓隔板包含凝膠形式的電解質。一旦將第一和第二雙極性電極和隔板組裝或排列形成電池單元，向第一和第二雙極性電極施用至少IOkPa 的機械壓力，從而形成BLAB組件。在多數情況下，施用較高的壓力(例如，至150kPa 之間，甚至更高)，以得到更長的壽命和減緩陽極活性材料脫落。進一步應當注意的是，在壓力為lOltfa或大于lOltfa的情況下，可保護陰極活性材料不被不理想的壓縮。最一般地，通過包含抗壓間隔結構實現這樣的保護，以使陰極活性材料位于間隔結構的空隙體積中。具有多種構造和材料適于這樣的間隔結構，并且認為其全部適于本文的應用。但是，特別優(yōu)選間隔結構被配置為柵極，并由抗酸性聚合物材料制成。 至于間隔結構的抗壓性，一般優(yōu)選間隔結構可在厚度損失小于10%，更優(yōu)選小于5%下耐受至少IOOkPa的壓力(同上)。進一步考慮在根據本發(fā)明主題所述的電池中，可應用所有的已知雙極電極。但是， 一般優(yōu)選將雙極電極配置為準雙極。這種構造有利地克服迄今已知的雙極性電池由于雙極中針孔形成引起的性能衰減。在一個優(yōu)選的實施方式中，兩個常規(guī)鉛片在基材的各一側被層壓至不導電的基材(例如，由薄塑料材料制成)。然后通過如圖3B示意的塑料載體中的穿孔將鉛片相互電連接。例如，穿孔可被配置為位于基材中心的正方形樣式的槽。然后用與基材厚度相同的純鉛嵌入物填充該槽。在需要的情況下，可將50/50鉛/錫焊料薄層涂布在鉛嵌入物兩側，并且可在基材兩側施用電池型環(huán)氧樹脂(或其他粘合劑)薄層。將兩個薄鉛片(例如，厚度0.07mm)置于基材的各側，并將整個夾層結構置于壓力加熱壓板之間。 在120°C、1000至3000kPa的壓縮下，鉛片被堅固地焊接至嵌入物，從而被層壓至基材。特別應當注意的是，這種準雙極結構對陽性鉛片的針孔不敏感，從而使薄純鉛片可用，否則該薄純鉛片將不可能涂至導電柵極上。值得注意的是，這種準雙極具有相當均勻的電流和相當低的歐姆(Ohmic)電阻。 此外，也具有在陽極側應用純鉛片的優(yōu)勢，因為純鉛具有最佳的抗陽極腐蝕抗性。而且，對電池組的壓縮由于鉛表面上形成的高密度、無裂縫的二氧化鉛保護層確實相當地減輕陽極側上的腐蝕活性。在進一步的優(yōu)勢中，由于塑料基材與環(huán)氧樹脂的相容性，非常容易將準雙極組裝成電池組。更進一步應當理解的是，由于電解質從AJS的滲漏允許干的密封表面，現可用導熱材料填充雙極周圍的空間。例如，適當的材料包括工業(yè)上可利用的粘合材料，如環(huán)氧樹脂、硅或丙烯酸材料，然后其被初步用于生成散熱途徑，而非周邊密封。在-30°C至+70°C 之間用作粘合劑的多種其他溫度穩(wěn)定物質也適于用作填充物。該填充材料提供良好的接觸性，從而為電池內部組件產生的熱量提供良好的傳導途徑。還有本發(fā)明主題的另一個方面，要注意的是在具有薄單元的常規(guī)雙極VRLA(閥控式鉛酸)電池中，為各單元提供釋壓閥(PRV)通常非常困難，并且成本高昂，因為據認為其對于氧重組循環(huán)是必須的。最近通過這種如Exide "Optima"的VRLA電池成功地證明，單個PRV可操作順序連接并組裝至共同構架中的多個單元。Optima電池具有六個單極設計的線繞式2伏單元，其被組裝至共同的機體中，該機體具有導向PRV的排放通道。但是，發(fā)明人考慮也可將這樣的構造擴展至可包含至少M個單元(或更可能多至100或更多個單元)的雙極構造。在實施多個單元可控排放的努力中，發(fā)明人已利用薄壁小直徑塑料管，而各單元接收單個管。各管的小部分向上突出，終結于電池蓋中成型的約5X4mm橫截面的縱向通道。通道的長度取決于電池組單元的數量。然后該共同通道被連接至單獨的PRV。盡管該設計證明產生作用，如下引入進一步的改善。各管的頂部2至4mm在加熱壓板的壓力下扁塌，形成相互接觸的兩個平壁，從而形成鴨嘴閥。如此改造的管能通過下述對各單元表現單向釋放特性使過量的氣體從單元(一個或多個)排入通道，而不允許氣體從通道進入其他單元。這種簡單卻有效的排氣管改造在高壓雙極性電池的充電過程中顯著改善單元的電壓平衡。薄壁塑料管末端的扁平段通過下述表現單向氣體釋放特性使過量的氣體從單元逸出，而不允許氣體進入其他單元。實施例與圖1所示類似，以活性面積94X 94mm構建VR-BLAB。每板干PAM為3. 3g，厚度 0. 12mm,以及每板干NAM為3. 2g，厚度0. 11mm。酸是比重1. 28的硫酸。隔板是形成凝膠的、 厚度0. 2mm的AJS。工作電解質是比重1. 280g/cc(20°C )的硫酸，并且電池具有單獨的釋壓閥。組壓是lOOkPa。基材材料I^b-Sn合金具有0. 5mm的厚度，構架材料是聚碳酸酯，以及端板由5mm鋁板制成。圖4顯示來自起動電機上快速放電測試的示例性結果，電流和電壓如圖所示。從圖中可易得出，在預期電壓下，電池在非常短的時間內提供顯著電流。為了檢測循環(huán)效力，利用兩個根據本發(fā)明主題的VR-BLAB和用作比較的商業(yè)可利用VRLA進行兩種不同的循環(huán)程序，其中利用溫和形式(moderate profile)和侵進形式 (aggressive profile)進行循環(huán)，(a)如下進行溫和循環(huán)程序兩階段充電，第1階段于恒定電流0. 8A，截止電壓14. 4V，以及第2階段于恒定電壓14. 4V，直到電容等于1. 57Ah。充電后為IOmin的休止期。以截止電壓10. 5V于IA放電1.5h，并且循環(huán)在2. lAh(C/3的70%額定電容)時停止。(b)如下進行侵進循環(huán)程序兩階段充電，第1階段于恒定電流0. 9A，截止電壓14. 7V，以及第2階段于恒定電壓14. 7V，截止時間4. 5h，然后IOmin的休止期。放電于 1.7A，直到截止電壓為10. 5V，并且循環(huán)在2.45Ah((V2的70%額定電容)時停止。圖5A-5C 的表格中顯示兩種根據本發(fā)明主題所述的BLAB的結果，其中189-1A(圖5A)和189-1B (圖 5B)的結果是本文所述BLAB的結果，而189-3(圖5C)的結果顯示商業(yè)可利用的12V、4Ah電池(McMaster Carr Batterues)。易從圖中可見，在測試循環(huán)期間，VR-BLAB具有相當的性能和持續(xù)的能量特性。但是，應當注意的是根據本發(fā)明主題所述的電池具有顯著提高的能量密度。最典型地，所考慮的電池會達到至少35Wh/kg的能量密度，更典型地會達到至少38Wh/kg，最典型地會達到至少40Wh/kg。相反，當前的單塊(monoblock)技術會使能量密度在最佳情況下為!35Wh/kg。因此，已公開改善的雙極性鉛酸電池的具體實施方式
和應用。然而，對于本領域技術人員應當顯而易見的是，除已述改造外更多改造是可能的，而脫離本文發(fā)明的構思。因此
10除了在所附權利要求的精神中外，本發(fā)明主題不受到限制。此外，在說明書和權利要求書的解釋中，應當以符合上下文的最寬的可能方式解釋所有術語。特別是，術語“包含”和“包括” 應當被解釋為以非唯一方式指元件、組件或步驟，表明引用的元件、組件或步驟可存在或可被利用或可與其他未明確引用的元件、組件或步驟結合。
權利要求
1.減少雙極性鉛酸電池中電解質遷移的方法，包括將包含凝膠形式電解質的抗壓隔板置于第一雙極性電極的陽極活性材料和第二雙極性電極的陰極活性材料之間；和排列第一和第二雙極性電極及隔板，形成電池單元，并向第一和第二雙極性電極施用至少IOkPa的機械壓力。
2.權利要求1所述的方法，其中所述雙極性電極被設定為準雙極性電極。
3.權利要求2所述的方法，其中所述雙極性電極包含具有第一和第二表面的載體，并且將第一和第二鉛片分別連接至所述第一和第二表面。
4.權利要求1所述的方法，其中所述抗壓隔板包含熱解硅石和惰性填充材料。
5.權利要求4所述的方法，其中所述陰極活性材料進一步包含抗壓間隔結構。
6.權利要求5所述的方法，其中所述壓力在20kPa至150kPa之間。
7.權利要求1所述的方法，其中所述單元在所述第一和第二雙極性電極之間包含空隙體積，并向所述空隙體積的部分充填導熱材料。
8.權利要求7所述的方法，進一步包括步驟將單向閥連接至所述單元，從而使氣體從所述單元排出。
9.雙極性鉛酸電池，包含被抗壓隔板隔離的第一和第二雙極性電極，所述抗壓隔板包含凝膠形式的電解質。
10.權利要求9所述的雙極性電池，其中所述抗壓隔板包含熱解硅石和惰性填充材料。
11.權利要求9所述的雙極性電池，其中所述第一電極的陰極活性材料和所述第二電極的陽極活性材料以及所述抗壓隔板形成單元，并且其中所述電解質被膠化至足以使所述電池運行而不密封所述單元的程度。
12.權利要求11所述的雙極性電池，其中所述單元在所述第一和第二雙極性電極之間包含空隙體積，并且導熱材料被置于所述空隙體積的至少部分中。
13.權利要求12所述的雙極性電池，進一步包含連接至所述單元的單向閥，從而使氣體從所述單元排出。
14.權利要求9所述的雙極性電池，其中所述電極中至少一個是準雙極性電極。
15.權利要求14所述的雙極性電池，其中所述準雙極性電極包含不導電的載體，所述載體具有在所述載體的第一和第二表面之間形成的多個開孔和置于所述多個開孔中的導電材料，其中所述準雙極性電極進一步包含被分別連接至所述第一和第二表面的第一和第二鉛片。
16.雙極性鉛酸電池，包含包含不導電載體的準雙極性電極，所述不導電載體具有在所述載體的第一和第二表面之間形成的多個開孔和置于所述多個開孔中的導電材料；被分別連接至所述第一和第二表面的第一和第二鉛片；被連接至所述第一薄片的陽極活性材料層、被連接至所述第二薄片的陰極活性材料， 其中所述陰極活性材料層進一步包含抗壓間隔結構；以及被分別連接至所述陽極活性材料層和所述陰極活性材料層的第一和第二抗壓隔板，其中所述第一和第二抗壓隔板包含凝膠形式的電解質。
17.權利要求16所述的雙極性電池，其中所述不導電的載體由包含合成聚合物和陶瓷中至少一種的材料制成，并且其中所述導電材料包含鉛。
18.權利要求16所述的雙極性電池，其中所述抗壓間隔結構包含合成聚合物和陶瓷中至少一種。
19.權利要求16所述的雙極性電池，其中所述第一和第二抗壓隔板包含熱解硅石和惰性填充材料。
20.權利要求16所述的雙極性電池，進一步包含被連接至準雙極性電極的第二準雙極性電極，從而形成單元，并且進一步包含下述至少一種(a)被連接至所述單元的單向閥， 從而使氣體從所述單元排出，和(b)所述單元中空隙體積的至少部分中的導熱材料。
全文摘要
雙極性鉛酸電池包含抗壓隔板，其中電解質保持凝膠形式，并且其中準雙極性電極在壓力下保持為單元組。最優(yōu)選地，陰極活性材料進一步包含抗壓間隔結構，以及電池被設定為VR-BLAB，這里每一個單獨的單元在充電循環(huán)過程中可獨立地排放氣體。
文檔編號H01M2/16GK102165629SQ200980137904
公開日2011年8月24日 申請日期2009年4月29日 優(yōu)先權日2008年8月14日
發(fā)明者F·列夫, L·拉比諾維奇, R·L·克拉克 申請人:Aic布萊博公司, F·列夫, L·拉比諾維奇, R·L·克拉克