智能蓄電池隔板的製作方法
2023-05-30 19:57:46 1
專利名稱：智能蓄電池隔板的製作方法
技術領域：
本公開涉及改進的能量存儲電池隔板，並且特別地涉及在能量存儲電池中使用的微孔隔板，該微孔隔板具有使得能夠在可變操作條件下增強性能的特性。
背景技術：
在20世紀70年代後期，研製出了無水添加鉛酸蓄電池，不像它的前驅膠體蓄電池那樣，該蓄電池使用獨特的吸收性強的隔板來像海綿那樣保持蓄電池酸液。用於這種能量存儲電池的隔板是吸收性玻璃墊(absorbent glass mat，AGM)，吸收性玻璃墊是由玻璃絲微纖維製成的無紡隔板。AGM隔板通常在其中酸液被隔板吸收但是隔板的全部孔隙未被酸液完全地填充的部分飽和狀態中操作。包含AGM隔板的可充電鉛酸能量存儲電池根據氧複合原理操作，由此在正極板處產生的氧氣通過部分飽和AGM隔板擴散並且因此能夠在負電極的表面處被化學還原以被重新形成為(reformed back into)水。為了更好地促進氧複合反應並且減小總體水損失，能量存儲電池還結合在電池中維持低排出壓力(通常從大約 l-5psi (磅/平方英寸))的卸壓閥。相應地，氧複合被用於消除在能量存儲電池的壽命期間的水添加。因為AGM能量存儲電池不是「氣體自由」的，所以它們還可以被稱作使用AGM技術的閥控鉛酸(VRLA)蓄電池。如上所述，AGM隔板是柔軟的、可壓縮的且吸收性強的無紡微玻璃墊隔板。以類似於一次性嬰兒尿布的方式，AGM隔板吸收並且保持酸液。隔板有92-96%孔隙度並且實際上吸收它的重量7-8倍的酸液。AGM能量存儲電池被設計成使得極板和AGM隔板的厚度非常緊密地適配到電池殼中。事實上，大多數AGM能量存儲電池被以這樣的方式設計當被塞入電池殼中時，AGM隔板最終被壓縮它們的未壓縮體積的20-30%。AGM隔板的壓縮給予電池所需的極板-到-隔板界面接觸並且使得能量存儲電池基本上是防振的。AGM隔板的高度多孔性引起能量存儲電池的較低內部電池電阻和較好高倍率(rate)性能。在大多數(如果不是所有)的情形中，AGM能量存儲電池是能夠在UPS系統、輪椅、 可攜式工具、消費者電子設備、報警器、船、重型裝置和一些玩具中使用的深循環蓄電池。其它應用可以包括緊急照明、電信裝置、備用電源系統和太陽能供電的蓄電池系統。AGM能量存儲電池的一個問題在於隨著電池老化，電池失水並且隔板變幹。隨著隔板變幹，氧複合率增加並且能量存儲電池變得更熱。在特定條件下，在AGM能量存儲電池中的氧複合可能變得太激烈，使得能量存儲電池進入熱擊穿。如果被用於對能量存儲電池充電的充電器未受到溫度補償，則能量存儲電池可能最終熔化，並且在嚴重的情形中著火或者燃燒。儘管在本領域中關於用於能量存儲電池的隔板取得了進步，但是繼續需要與傳統隔板相比呈現改進的物理和電化學性質的、用於能量存儲電池的隔板。例如，存在如下需要隨著電池老化，衰減在AGM能量存儲電池中的氧複合過程以便防止熱擊穿和/或損壞能量存儲電池。
發明內容
關於上述，本公開的一個實施例提供一種用於能量存儲電池的隔板，該隔板由包括不可逆孔隙度控制試劑的微孔網狀物(web )提供。另一個實施例提供一種用於改變能量存儲電池的操作特性的方法。該方法包括向隔板材料施加從大約5到大約50重量百分比的不可逆孔隙度控制試劑。可以由隔板材料和不可逆孔隙度控制試劑形成改進的隔板。孔隙度控制試劑可以選自作為溫度的函數改變尺寸的試劑、作為PH的函數改變尺寸的試劑、作為壓力的函數改變尺寸的試劑、以及作為溫度、PH和/或壓力的函數改變尺寸的試劑。然後用隔板來操作該能量存儲電池。如與傳統隔板相比，根據本發明的隔板呈現改進的性質。所公開的實施例的另一個優點在於隔板可以在可變條件下改進能量存儲電池的性能方面發揮積極的而非消極的作用。迄今，除在鋰離子蓄電池工業中使用的三層熱關斷隔板(見轉讓給Celgard的US 5，952，120和其它專利)以外，能量存儲電池隔板已是電池的無源構件。「關斷」隔板是拉伸聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯的三層結構。PE的內部層被設計成在高溫下熔化，因此增加存儲電池的電阻並且「關斷」能量存儲電池。「關斷」能量存儲電池的過程是不可逆的，並且一旦這發生，能量存儲電池便是無功能的並且必須被更換。通過比較，在這裡描述的隔板可以被用於隨著能量存儲電池的溫度升高而衰減隔板的電阻，由此使得即使隨著電池老化並且隔板變幹也能夠繼續使用存儲電池。
通過參考當結合示意其一個或者多個非限制性方面的以下繪圖考慮時的示例性實施例的詳細說明，示例性實施例的進一步的優點可以變得明顯
圖1是現有技術隔板的概略截面表示；
圖2是在第一操作條件下的包括孔隙度控制試劑的隔板的概略截面表示； 圖3是在第二操作條件下的包括孔隙度控制試劑的隔板的概略截面表示； 圖4是在加熱隔板之前和之後的包含孔隙度控制試劑的隔板的電阻的圖解示意；以及圖5是包含根據本公開的實施例的隔板的能量存儲電池的概略截面表示。
具體實施例方式如在這裡描述的隔板可以由包括天然和合成橡膠、聚烯烴、無紡玻璃纖維等的各種各樣材料製成。用於根據本公開的AGM隔板的特別適當的材料是無紡玻璃纖維和無紡聚烯烴隔板。根據本公開的隔板的一個構件是顆粒填料。顆粒填料可以選自碳黑、硅藻土和氧化矽顆粒。適當的氧化矽顆粒源是可從賓夕法尼亞州匹茲堡的PPG hdustries有限公司、 法國裡昂的I^hodia Silica Systems和德國杜塞道夫的Evonik-Degussa GmbH獲得的沉
澱氧化矽。
如下面描述的，由例如無紡纖維隔板製成的隔板可以受益於包括不可逆孔隙度控制試劑。可以根據本公開的示例性實施例使用的適當的孔隙度控制試劑可以選自響應於上升的溫度而膨脹和響應於壓力而收縮的試劑。可以使用的其它孔隙度控制試劑可以在電解液PH增加或者壓力降低時膨脹。另外的其它孔隙度控制試劑可以響應於溫度、壓力和電解液PH中的一個或者多個的組合而膨脹。相應地，以隨著隔板老化而足以影響隔板孔隙度的數量使用孔隙度控制試劑。例如，隨著能量存儲電池的溫度增加，孔隙度控制試劑膨脹並且隔板孔隙度降低。可以在AGM能量存儲電池中被用作孔隙度控制試劑的可膨脹顆粒的製備正常通過懸浮聚合來實現。可以在美國專利號3，615，972中找到可以採用的一些技術的一般說明和可以用作可膨脹顆粒的各種組分的詳細說明。可以在美國專利號4，483，889中找到在本公開的實施例中用作可膨脹顆粒的組分的進一步的說明。這兩件專利在此通過引用而被併入。在所公開的實施例中有用的、商業上可獲得的可膨脹中空聚合物微球的實例包括由聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)製成的那些，例如可從瑞典的Akzo Nobel根據商品名稱 EXPANCEL獲得的聚合物微球。可從日本的Matsumoto Yushi-Seiyaku股份有限公司根據商品名稱MICR0PEARL微泡獲得的、具有類似的構造並且包括例如甲基丙烯腈_丙烯腈共聚物殼體的、其它商業上可獲得的材料在本發明中也可用作可膨脹顆粒。通過參考圖1-3，可以更好地理解隔板的孔隙度。圖1是現有技術隔板10的一部分的概略表示。隔板10可以包括在傳統的網狀物製造過程中被相互接合的無紡纖維 12。例如，在包括長網造紙機和真空圓網造紙機、傾斜長網造紙機和延伸金屬絲真空圓網造紙機的造紙裝置上通過溼法過程商業上製作了玻璃纖維隔板和聚烯烴纖維隔板。在用於VRLA蓄電池的、由玻璃纖維製成的隔板的製作中，優選的是無任何有機粘結劑被添加到由其製成隔板薄板的配料(furnish)；個體微玻璃纖維的糾纏用於使薄板維持粘性結構，並且水玻璃或者有時在纖維表面上形成的各種硫酸鹽中的任何一種用作粘結劑。然而，有機粘結劑趨向於降低隔板芯吸酸液的能力，並且降低隔板能夠保持的酸液的數量。如在U. S. 6，306，539中公開的，也可以使用用於製造纖維狀能量存儲電池隔板的幹法過程。在纖維 12之間的空隙空間14提供隔板10的高達大約95%的孔隙度。本公開的實施例還可以可應用於除了纖維狀隔板之外的其它類型的能量存儲電池隔板。例如，如在這裡描述的孔隙度控制顆粒還可以被結合在柔性天然橡膠隔板例如根據美國專利號4，213，815製造的隔板中。在圖2和3中，在纖維狀隔板16中包括孔隙度控制顆粒20。孔隙度控制顆粒20 可以具有由圖2中的顆粒20A指示的第一尺寸和由圖3中的顆粒20B指示的第二尺寸。在圖2中，顆粒20A可以處於未膨脹或者收縮狀態中，由此使得隔板16能夠具有類似於圖1 中的隔板10的孔隙度的第一孔隙度。在圖3中，顆粒20B處於膨脹狀態中，由此降低隔板 16的孔隙度。相應地，圖3中的隔板的孔隙度小於圖1和2中的隔板的孔隙度。在隔板16中包括的孔隙度控制顆粒可以選自響應於溫度、pH、壓力、或者溫度、pH 和壓力中的兩個或者更多的組合而改變尺寸的顆粒。通過選擇隨著能量存儲電池的溫度增加而膨脹的孔隙度控制試劑，隔板16的孔隙度可以被降低，如通過圖2中的顆粒20A膨脹到圖3中的顆粒20B所示意的。隨著隔板16的孔隙度降低，隔板16的電阻增加，由此減小可以分層(layer)能量存儲電池的操作溫度的氧複合率。提供了以下非限制實例以進一步示意示例性實施例的一個或者多個方面。實例1
在以下實例中，通過用手將具有密度300g/m2的3. 4克AGM薄板( 4. 5"X4. 5")撕裂成小片並且將撕裂的小片混合到800ml的冷水中達M個小時而製成AGM隔板。使用磁力攪拌來攪拌該混合物並且製作漿液。EXPANCEL微球(0. 051克，15wt. % (重量百分比))然後被添加到冷水和AGM小片並且混合物被攪拌 1個小時。所得到的混合物被澆注到 4"直徑真空過濾漏鬥中以形成新的AGM薄板。AGM薄板被真空除水。所得到的4"圓形EXPANCEL 加載的AGM薄板然後被從過濾漏鬥移除、被置放在紙巾片之間並且被吸乾。然後允許每一張薄板在空氣中被乾燥48個小時。還利用這種方法但是不添加EXPANCEL微球來製成對照樣本AGM薄板。陶瓷熱板被調節為近似的溫度。五片5"x5"x0. 25"安全玻璃的堆疊體(stack)然後被置放在熱板上並且被允許熱平衡。然後使用雷射溫度槍確定在玻璃板堆疊體之下的熱板的溫度。當溫度被適當地調節時，AGM樣本被快速地放置在玻璃板的堆疊體之下並且數字計時器啟動。利用這種方法，全部AGM樣本被熱處理3分鐘。在3分鐘結束時，樣本被快速地移除。注意到，在133°C.和150°C.下，因為EXPANCEL微球膨脹，所以樣本變得顯著更厚。在加熱隔板網狀物之前和之後確定每一個隔板網狀物的電阻。結果被示於表格 1中。在該表格中，「T-Mart」是EXPANCEL材料的腫脹開始時的溫度，並且「T-Max」是 EXPANCEL材料達到它的最大尺寸時的溫度。在該表格中，AGM EX-I包括在形成隔板之前被添加到玻璃纖維的、15wt.%的EXPANCEL 051 DU 40微球。AGM EX-2包括在形成隔板之前被添加到玻璃纖維的、15wt.%的EXPANCEL 920 DU 40微球。對照樣本不包含任何微球。表格權利要求
1.一種用於能量存儲電池的隔板，包括微孔網狀物，其中所述網狀物進一步包括不可逆孔隙度控制試劑。
2.根據權利要求1的隔板，其中所述微孔網狀物包括無紡纖維狀基質。
3.根據權利要求1的隔板，其中所述微孔網狀物包括柔性橡膠隔板。
4.根據權利要求1的隔板，其中所述微孔網狀物包括由聚合物和氧化矽的混合物製成的網狀物。
5.一種能量存儲電池，包括根據權利要求1的隔板，其中所述能量存儲電池選自原能量存儲電池和二次能量存儲電池。
6.根據權利要求1的隔板，其中所述孔隙度控制試劑選自由以下組成的組作為溫度的函數改變尺寸的試劑，作為PH的函數改變尺寸的試劑，作為壓力的函數改變尺寸的試劑，以及作為溫度、PH和/或壓力的函數改變尺寸的試劑，以提供隔板的總體孔隙度的改變。
7.根據權利要求1的隔板，其中所述不可逆孔隙度控制試劑包括流體填充微球。
8.根據權利要求7的隔板，其中所述隔板包括按照重量計從大約5%到大約50%的流體填充微球。
9.根據權利要求1的隔板，其中所述無紡纖維狀基質包括玻璃墊纖維狀基質。
10.根據權利要求1的隔板，其中所述無紡纖維狀基質包括聚烯烴纖維狀基質。
11.根據權利要求1的隔板，其中所述不可逆孔隙度控制試劑包括從由聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)材料和甲基丙烯腈_丙烯腈材料組成的組中取得的微球。
12.一種用於改變能量存儲電池的操作特性的方法，包括向隔板材料施加從大約5到大約50重量百分比的不可逆孔隙度控制試劑；由所述隔板材料和孔隙度控制試劑形成隔板；以及用所述隔板來操作所述能量存儲電池，其中所述孔隙度控制試劑選自由以下組成的組作為溫度的函數改變尺寸的試劑，作為PH的函數改變尺寸的試劑，作為壓力的函數改變尺寸的試劑，以及作為溫度、pH和/或壓力的函數改變尺寸的試劑。
13.根據權利要求12的方法，其中所述操作特性選自由所述隔板的電阻和所述隔板的總體孔隙度組成的組。
14.根據權利要求12的方法，其中所述能量存儲電池選自由原蓄電池和二次蓄電池組成的組。
全文摘要
一種由包括不可逆孔隙度控制試劑的微孔網狀物提供的、用於能量存儲電池的隔板，一種用於改變能量存儲電池的操作特性的方法。
文檔編號H01M2/16GK102177601SQ200980139958
公開日2011年9月7日 申請日期2009年7月28日 優先權日2008年8月8日
發明者H. 布裡爾邁爾 G., A. 溫伯利 R. 申請人:多微孔產品有限公司