可充電的電化學單元的製作方法
2023-06-17 14:40:41
專利名稱：可充電的電化學單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於特殊編織纖維形式的超輕、超強傳導和絕緣材料的蓄電池、燃料電池和電解裝置的柔性結構。這種結構能承受高達50000g加速度的非常重的過載(特徵重量)。因而可增加這種蓄電池的動力使用。設在單片電路中的絕緣及電池材料也是如此。這種結構能夠承受高達55000g的加速度，也即包括炮彈殼等的已知產品。鉛酸蓄電池電極之間距離的大幅度減少(10-50倍)，可導致蓄電池中內部阻抗(蓄電池內阻的主要部分)下降，進而形成一種具有高的電效率的元件。所使用的活性材料可以實現深度充放電循環，是半剛性電極的兩倍，還可實現蓄電池多路循環工作的能力。特殊的電極材料層允許使用適於多周期電池的帶有樹枝狀結晶問題的電極對材料。本發明也適合於視重量和成本為重要因素的鉛酸或銀鋅蓄電池、燃料電池和電解裝置。
這些金屬也具有大的活性表面面積。在特定電極(例如孔隙電極、漿體或粉末電極)中具有表面面積是有好處的，並且，有催化板或無催化板均可使用。
有些電極對，例如鋅-銀電極對，也有樹枝狀結晶問題。結果，樹枝狀結晶引起的短路限制了可充電電池在有效期內的循環次數。
本發明的目的是使蓄電池、燃料電池和電解裝置電極的重量減少、強度增強。美國專利4894355中描述了一種使用碳紙的結構，該專利建議通過切割由碳紙/聚四氟乙烯組分組成的纖維來減少活性表面積。在此情形下，結構的主要負載採用了碳載體材料-紙，而導電性參數確定了電極的厚度和跨度。
按照本發明，電池單元包含外部或內部的柔性封裝或扁平層，在該扁平層中，有一個扁平的電傳導的柔性導線或纖維柵格嵌在活性材料粒狀或粉末粒子的母板內。還提出了另一封裝，它包含電傳導的導線或纖維柵格，其中定位設有互補的活性金屬或化合物的粒子或顆粒。封裝間用可滲透適當電解液離子的絕緣膜分隔。從每個電池單元還引出有導線。還設有柔性機械彈簧或電解液膨脹元件，用於提供消解由單元中化學反應產生的電極容積的變化所需的壓力。
可將活性材料設置在膜腔內或膜層之間。活性材料顆粒可以通過焊接蓋體定位成分離的單位。
本發明提供了用於將壓力施加到組裝單元外表面的裝置，以保證粒狀或粉末顆粒之間以及顆粒與電極之間在充放電的時能緊密接觸。即使在反應期間活性材料的體積有明顯變化，這種接觸也能保持不變。
可使用各種金屬或化合物對，例如銀-鋅(Ag/Zn)、鉛-氧化鉛(Pb/PbO)等。
電極可製作成被卷為螺旋結構形式的長度帶。在這種結構中，其優點是提供了將壓力施加於電極外部表面的彈簧或類彈簧裝置以及將電池單元製作成圓柱體形式。
彈簧或類彈簧元件可以是包含在電池中或與膨脹分隔器關聯的全分離元件。還可以將可電池單元的彈性壁用作彈簧元件。分離彈簧元件最適用於單元壁高度有限的扁平電池。當電池為正方體或至少為矩形時，其電池側壁最適於用作彈簧元件。彈性的外圓柱容器可用作螺旋電極電池的彈簧元件。
活性材料的粉末或粒子最好在5-10微米範圍，雖然其他尺寸也可用。
所述柵格板可用擴展金屬製造，例如用銀(對於Ag-Zn元件)。對相應的陰極或陽極活性材料，用擴展的金屬箔製作。導電纖維厚度一般為10μ-500μ，最好為100μ。該纖維可以用碳纖維編織。導電材料可塗覆適合的金屬，確切的金屬取決於電池工作的環境。
對多單元情況，導電線可與非導電纖維組合使用。在這種導電纖維中，可以使用與凱芙拉、尼龍、聚酯等纖維交織的多個並行碳纖維。該配置可以是每個碳纖維構成一個電極的配置。顯然，碳纖維必須被連接，並提供用於輸出電流的導線。
基於同樣概念的本發明的變形包括燃料電池，其中，每個膜腔包含最好附著於適當支撐件上的催化粒子。催化劑可以是塗覆有例如Ni、Pt或Cd的活性材料的陶瓷顆粒。合適的酸可用作燃料電池的催化劑，使氧和氫反應形成水並產生電流。為便於電流提取，設置有適當的電極連接。在燃料電池的情形下，無須對電池施加外部壓力。催化劑可直接敷塗在增加有效表面面積的碳纖維上。
由於電化學單元的薄元件，改善了重量對功率輸出的比率。由於電池單元的主要元件是導電纖維、粒狀活性材料以及電解液，單元可承受極大的加速和減速而不會對電池性能有不利影響。
採用螺旋結構時，能夠生產出高能、高速的可充電電池。
按照本發明，電極、連接元件及單元壁由高強度的導電或絕緣纖維、催化劑和平板或纖維或類似形式的活性材料製造而成。碳纖維可用作電極的導體部分，而尼龍、聚酯、凱芙拉(Kevlar)或玻璃纖維可以用作電極的絕緣部分。絕緣材料的確定取決於所選的電解液。
根據電化學原理可使用不同的結構。設計各部件以獲得穩定的電接觸，形成纖維形式的活性材料的導電性。同樣，在活性材料和電流輸入輸出元件之間應有良好的接觸。
合適的結構可包括
1、電極、絕緣元件、彈簧和外部殼體採用單獨部件製成並組裝到單個單元中。
2、電極和絕緣元件在一個單元中。按照導電性與絕緣性組合，或導電性、絕緣和活性材料的組合需要，編織成一個纖維件。
用第一種結構可實現不同電解質原理的蓄電池結構。
某些參數的確定建議採用如下設計規格10μ的纖維厚度，0.55的編織厚度，每平方釐米電極幾何面積有31.5平方釐米的電極特殊面積。這就無須任何特殊表面處理來增加微表面。
在此情形下，每單位重量的有效面積為1875cm2/g，大約比固體表面大1100倍。
附加的規格說明包括每跨度距離的橫斷面0.0157cm2/cm，電阻率0.4-0.5歐姆*毫米2，對168g/m2的纖維密度許可應力為50kg/mm2，即最大損壞長度30km。作為比較，鉛有0.122km，鋅有0.63km，銅有2.263km。因此，對同樣長度的電極，塗層石墨纖維電極能夠承擔比銅電極大15倍、比鉛電極大300倍的加速。
圖3是螺旋形電極對的斷面結構視圖；圖4是單元件平行或串行連接示意圖；圖5是特定纖維的多單元單件結構示意圖；圖6是由一個特定纖維件製作出多電極和多單元的示意圖。
電極導電件1(陰極或陽極)是碳纖維編織材料。在此情形下，該纖維無須特殊處理以增加其微表面。
電極外殼6有一個插在電絕緣包5中的扁平的導電纖維件1，其中，在導電纖維件1兩個面上填充有鋅、鉛、或氧化銀漿體2。
電極包6和兩層漿體2被彈簧壓緊在一起，進口在由電解液可浸透的代表蓄能元件的絕緣纖維製成的分離絕緣腔內。
現參考圖2，圖2是纖維單元層斷面結構視圖。電極導體1(陰極或陽極)用碳纖維編織而成。同時，該纖維也無須特殊處理增加其表面積。
電極導體1用鋅、鉛、或氧化銀漿體2製成。
電極包1可設置有網格或斜列式接縫7以防止漿料粉凝結成單塊。這有助於確保漿料粉合適地分布在電極表面上。該電極包和兩個進口在由電解液可浸透的絕緣纖維製成的分離的絕緣腔3內。
該絕緣腔可改變和劃分為纖維件，所述纖維件可被縫紉在一對電極的邊側以形成電極包。其中的縫紉線可由絕緣材料製成。
一對這樣的絕緣電極(陰極和陽極)有一個差別漿體的稠度。在蓄能器結構中，電極對和電極對組可用不同形式的彈簧件8加壓固定。這節省了漿體和導電纖維之間以及分離的漿體原子核之間的電接觸所需的壓力(大約0.5kg/cm2)。但是，該壓力供應要求結構上的整體性。
電極偶設在公共殼4上，並構成單一單元。殼4可以用例如聚乙烯、聚丙稀、聚氨基甲聚酯或PVC的柔性或剛性塑料製成。該材料可用玻璃、聚酯、凱芙拉等纖維進行增強。可利用熱焊接5實現將所有元件連接成單一單元。自由電極端6可用於單元的電子連接。
電極的形狀和在電池單元中的位置是可變的。在各種變形中，可以用於定位調整的平板電極或同軸結構的圓形電極。電解液可固定存儲在殼4內或通過特定焊管定期添加。
圖3是螺旋結構電極的斷面視圖。將一對如
圖1或2所示形式的柔性電極1和2捲成螺旋體並插在彈性套管3內，後者用作彈性元件以保證適當的接觸壓力(0.2kg/cm2)。帶彈簧的捲起的螺旋體被插在外部殼體4內。在有些實施例中，膨脹分隔器和外殼也可用於彈簧件。
圖4示出單元1、2之間與串行或並行連接的單元的連接3。用於連接的有些電極包是由單件導電纖維製成的。在此情形下，所有傳統的連接部件被去除了，減少了蓄能器的重量和複雜性，增加了可靠性。
圖5示出單件的多電極結構，該多電極結構由帶有調整絕緣纖維或纖維組導電性和絕緣性的特殊纖維組合組成，該組合可用作電極絕緣或連接元件。這種調整對橫向和縱向、對不同蓄能器結構或由於編織問題可以是不同的。
單件多電極結構包括由導電纖維製成的電極1的導電部分和由絕緣纖維製成的絕緣部分2。纖維的導電部分可結合能夠連接電極部分的橫嚮導電線帶使用。
為使電極部件與連接帶之間連接更好，該連接可先置平再焊接。
導電部分的調整並不確定哪種電極(陰極或陽極)可連接，以及使用串聯或並聯哪種連接類型。
這些參數可按照普通電池設計那樣選擇，其中，一個單件多電極纖維是適合不同結構和電子配置的蓄能器、液體單元或電解槽的公用元件。
可以在纖維的一面上塗覆PVC、聚乙烯、聚丙稀、聚氨基甲聚酯以便與其它結構層、外部殼構架焊接。在此情形下，必須先對導電纖維處理以便能夠粘接塗覆材料。
圖6示出一種可用多電極實現的單件纖維的結構。這種結構是帶有串行連接各個單元的漿體電極蓄能器的一個實例。該結構由被電解液可浸透纖維分隔的兩個單件的多電極單元1組成，該分隔纖維可與電極結構件分開縫紉或焊接。
焊接縫位置的形式可提供具有在使用流體電解液系統的入口和出口通道和外部空間的可浸透性的分開的單元構造的絕緣。
實例實例#1電池外形 扁平電池活性材料 銀-鋅電池單元數 2電池電壓3伏電池容量5Ah電池外殼厚度5.4mm電池外殼面積18.5cm2電極顆粒直徑0.005-0.01mm銀電極厚度 0.8mm鋅電極厚度 0.92mm銀重量 19.45g鋅重量 11.78g活性材料總重量 31.23g導電材料總重量 1.90g絕緣材料總重量 1.64g電解液KOH總重量 21.4g附件重量37.1g電池總重量 88.77g實例#2電池外形扁平電池活性材料銀-鋅每個電池的單元數16電池電壓24伏電池容量 100Ah電池外殼厚度 200mm電池外殼面積 200cm2電極顆粒直徑 0.005-0.01mm銀電極厚度0.8mm鋅電極厚度0.92mm銀重量3169g氧化鋅重量2023g活性材料總重量5192g導電材料總重量93.5g絕緣材料總重量215g電解液KOH總重量 2545g附件重量 765g電池總重量8810g實例#3電池外形 扁平電池活性材料 鉛電池單元數6電池電壓 12伏電池容量 60Ah電池外殼厚度 150mm電池外殼面積120cm2電極顆粒直徑0.005-0.01mm陽極厚度0.8mm陰極厚度0.92mm鉛重量 6300g氧化鋅重量 7100g活性材料總重量 13400g導電材料總重量 421g絕緣材料總重量 85g電解液、酸的重量1110g附件重量521g電池總重量 15452g實例#4電池外形螺旋電池活性材料銀-鋅電池單元數 1電池電壓1.5-1.8伏電池容量15Ah電池螺旋直徑30mm電池螺旋高度27mm電極顆粒直徑0.01mm銀電極厚度0.8mm鋅電極厚度0.92mm銀重量45.32g鋅重量11.78g活性材料總重量57.1g導電材料總重量1.90g絕緣材料總重量1.64g電解液KOH總重量 28.9g附件重量 19.5g電池總重量109.04g
權利要求
1.一種可充電的電化學電池單元，包含封閉外殼，其中設置有差別僅在於活性材料的兩個或多個單元，每個這樣的單元包含離子傳導絕緣材料(膜)的扁平柔性包，包內有扁平導電的柔性電極框、在電極框兩側的活性材料粉末及電解液，其中，每個電極與引向外部的電流攝取導體連接，還設置有維持顆粒之間、顆粒與柔性電極框之間的壓力以達到所需電接觸的裝置。
2.根據權利要求1所述的電池單元，其特徵在於，可減少樹枝狀結晶危險的第一種形式的柔性導電封裝，包括粉末或顆粒形式的活性材料的柔性導電支撐件；第二電極也可以是柔性導電封裝的形式，該封裝包含其上有電化學性互補的活性材料層的導電支撐件、定位在兩個封裝之間的柔性離子傳導膜層，以及用於在電極分隔膜層或膜/反向電極的組件施加壓力以保持其彼此緊密接觸的裝置，所述組件沉浸在適當的電解液中，由各個封裝設置電極連接。
3.根據權利要求1或2所述的電池單元，其特徵在於，所述電極纖維是機織織物，經編織的活性材料是柔性的主要為碳纖維或其它活性材料纖維的導電纖維。
4.根據權利要求1-3中任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述活性材料對是以下三組中的一種Ni/Cd，Ag/Zn，Pb/PbO。
5.根據權利要求1-4中任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述支撐件為包含一串相鄰的平行的導電和絕緣條的柔性纖維。
6.根據權利要求1-5中任何一項所述的電池單元，其特徵在於，每個電極的厚度在1-10mm之間。
7.根據權利要求1-6中任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述活性材料的粒子為尺寸在1-10微米間的顆粒，0.5-3mm厚的帶或不帶適合基體的層。
8.根據權利要求1-7中任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述編織的厚度在10與100微米之間。
9.根據權利要求1-8中任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述電池為纏繞的螺旋狀結構，帶有施壓於組件的外部或內部彈簧。
10.根據權利要求1-9任何一項所述的電池單元，其特徵在於，具有包含高強度、多孔隙、微米氣孔尺寸的纖維分隔器的高機械強度。
11.根據權利要求1所述的電池單元，其特徵在於，所述電池是一種燃料電池，其中，催化的活性材料由陶瓷基板支撐，所述反應是氧和氫之間產生水和能量的反應。
12.根據權利要求11所述的電池單元，其特徵在於，催化劑被鍍在大表面區域的導電編織物上。
13.根據權利要求1-12任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述電極包含並行的碳纖維和活性材料纖維，例如碳或銀。
14.根據權利要求1-13任何一項所述的電池單元，其特徵在於，放電位置的活性料預先用中等壓力衝壓以便在批量條件下取得50-60％稠度的陰極和30-50％稠度的陽極，在所述電池被完全組裝時，所述活性材料受壓於柔性的低壓。
15.根據權利要求14所述的電池單元，其特徵在於，所述預先使用的壓力為100-200kg/cm2，所述低壓大約為0.2-0.5kg/cm2。
16.根據權利要求1-15中任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述電極柔性導電支持(基板)或定位在大塊活性材料中的分隔器採用柔性的細柵格材料製成，其中，所述柵格材料是擴張金屬型材料。
17.根據權利要求16所述的電池單元，其特徵在於，對陽極適合的柵格材料為鎘、鋅、錫或銦，對陰極適合的柵格材料為鎳或銀。
18.根據權利要求1-17任何一項所述的電池單元，其特徵在於，位於活性材料的電極柔性導電支撐件為編織石墨纖維製成，所述纖維塗覆有金屬以便抑制氣體逸出。
19.根據權利要求18所述的電池單元，其特徵在於，用於抑制氣體逸出的金屬塗層的厚度為5-15微米。
20.根據權利要求18所述的電池單元，其特徵在於，所述電池單元是銀-鋅可充電電池單元，用於陰極的所述塗覆金屬為鎳或銀，用於陽極的所述塗覆金屬為錫、銦、鎘、鉛或鋅。
21.根據權利要求18所述的電池單元，其特徵在於，所述塗層由兩個層組成，95-99％固態的固體保護層和30-60％孔隙率的第二層。
22.根據權利要求1-21任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述用於施加壓力的裝置是電池的外部容器，所述容器有維持適當壓力所需要的彈性以確保所組裝電池內的電接觸。
23.根據權利要求1-22任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述電池單元為螺旋型電池單元，所述用於施加壓力的裝置用中心柔軟杆或分隔層實現。
24.根據權利要求1-23中任何一項所述的電池單元，其特徵在於，所述分隔器由三層組成，第一層用於將機械強度加到分隔器以及提供對氧化銀滲透的第一級保護，該第一層用尼龍、聚丙烯或聚乙烯處理編織纖維製成，第二層用於防止晶須和銀的滲透，採用可增大電解液體積、以產生恆定壓力和電極與活性材料之間的電連接的纖維素材料製成，第三層由離子分離的聚乙烯-聚丙烯薄膜製成，以封閉包的形式實現。
25.根據權利要求1-24中任何一項所述的電池單元，其特徵在於，有一個電極具有半剛性稠度，所述半剛性稠度具有30-50％孔隙率，所述電極通過燒結、衝壓或其它方法生產。
26.根據權利要求25所述的電池單元，其特徵在於，所述單元是輔助銀-鋅電池單元，所述電極為銀電極。
全文摘要
一種電化學電池單元,包含一個或多個電極對(6)。其中第一電極包含柔性的電絕緣和離子傳導的包含有柔性傳導基板(1)的封裝(5)。所述柔性導體(1)可由插入粒狀或粉狀的活性材料(2)中的編織或柵格形導電材料製成。第二電極也是柔性的包含有插入在電化學性互補的活性材料內的導電體(1)的電絕緣封裝(5)。該單元還包括將壓力加到電極、隔膜分隔器和反向電極的裝配組件上的裝置(4),以使電極活性材料的每個顆粒、分隔器和導體(基板)之間保持恆定的接觸。兩個電極中的一個或兩個可通過燒結、衝壓、粘接或結晶漿體的形式產生。
文檔編號H01M4/86GK1373909SQ00812677
公開日2002年10月9日 申請日期2000年9月4日 優先權日1999年9月9日
發明者利雷特金·瓦拉迪米 申請人:尤尼百特有限公司