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CN101167201A - 用于储能设备的导流体 - Google Patents

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CN101167201A
CN101167201A CNA2006800139338A CN200680013933A CN101167201A CN 101167201 A CN101167201 A CN 101167201A CN A2006800139338 A CNA2006800139338 A CN A2006800139338A CN 200680013933 A CN200680013933 A CN 200680013933A CN 101167201 A CN101167201 A CN 101167201A
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CN
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current collector
collector plate
carbon
baffle
lead
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CNA2006800139338A
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English (en)
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柯蒂斯·C·凯利
查尔斯·F·奥斯特迈耶
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Firefly Energy Inc
Original Assignee
Firefly Energy Inc
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Abstract

一种用于储能设备的集流体板(20)，其包括第一集流体(11)和与第一集流体连接的结合层(22)。至少一个导流体(31)至少部分地被设置在第一集流体和结合层之间。

Description

用于储能设备的导流体
技术领域
一般而言，本发明涉及一种导流体，具体地说，本发明涉及一种用于储能设备的导流体(current carrier)。
本发明要求享有于2005年3月31日递交的、申请号为60/666,771的美国临时专利申请的优先权。
背景技术
已知铅酸电池包括至少一正极集流体、至少一负极集流体、将电池的不同部分连接在一起的导流体、处于所述集流体上的化学活性浆料、及例如包含硫酸(H2SO4)和蒸馏水的电解液。通常，铅酸电池中的正极和负极集流体两者都由铅构成。这些铅集流体的作用是在放电和充电过程中通过内部的导流体将电流传送到电池终端或从电池终端送出。铅集流体适于有效地收集电流并将电流传送给导流体。然而，铅是密致材料。所以，由铅制成的集流体显著地增大了传统的铅酸电池的整体重量。
此外，由于以铅为基的正极集流体和导流体的腐蚀作用使铅酸电池在耐用性方面的限制备受关注。一旦将硫酸电解质加入电池中并对电池充电，正极集流体和导流体由于暴露在硫酸中且在正极板(即，正极集流体和化学活性浆料一起)的阳极电位的影响下将不断受到腐蚀。这种腐蚀中最具破坏性作用之一是体积膨胀。具体地说，当铅集流体和导流体受到腐蚀时，由集流体和导流体的铅的源金属(source metal)形成二氧化铅。这种二氧化铅的腐蚀产物的体积大于产生二氧化铅所消耗的铅的源材料。众所周知，铅的源材料的腐蚀和二氧化铅腐蚀产物体积的随之增加即为体积膨胀。
体积膨胀导致受腐蚀部件受到机械应力而使集流体和导流体变形和伸缩(stretch)。当集流体的总体积增加约4％到7％时，集流体可能破裂。结果，电池容量下降，最终使电池到达其使用寿命的终点。此外，这种导流体的破裂可能防碍电流流入特定的集流体或从该集流体流出。在腐蚀的发展阶段，可能发生集流体内部短路和原电池(cell)壳体破裂。这两种腐蚀的结果可引起电池内一或多个原电池失效。
延长铅酸电池使用寿命的一种方法是增加电池元件的耐腐蚀性。曾有人提出了几种抑制铅酸电池的腐蚀过程的方法。由于碳在铅酸电池正常的工作温度下不会被氧化，其中的一些方法涉及在铅酸电池中使用各种形式的碳，以减慢或防止有害的腐蚀过程。例如，美国专利号5,512,390(以后简称为’390专利)公开了一种铅酸电池，该铅酸电池用石墨板材代替铅集流体。石墨板材具有作为集流体的足够的传导功能，它们比铅更耐腐蚀。因此，用石墨板材替代铅集流体可延长铅酸电池的寿命。
虽然’390专利所披露的电池由于正极板的腐蚀作用减小而可能延长使用寿命，但’390专利的石墨板材仍存在问题。例如，‘390专利的石墨板材是密致的平板材料，每一块具有较小的表面面积。与传统的一般形成如栅格状结构的图案以增加该板的可利用的表面面积的铅酸电池的铅电极板不同，’390专利的石墨板材是光滑而无图案的板。在铅酸电池中，增加集流体的表面面积可提高电池的比能，因此可解释为改进了电池性能。集流体上的表面面积较大还可缩短电池充电和放电所需的时间。‘390专利的石墨板材的表面面积较小，这使电池存在充电速度缓慢的不利的使用状况。
另外，’390专利的石墨板材缺乏铅集流体的柔韧性。‘390专利的密致的石墨板材易碎，当受到物理摇动或震动时可能破裂。例如，这样的物理摇动和震动往往发生在车辆的应用上。石墨板材的任何破碎将产生与普通铅集流体因体积膨胀而引起的问题相同的问题。所以，与传统的铅集流体相比，尽管‘390专利的石墨板材提高了耐腐蚀性，但其易碎的性能实际上导致电池的使用寿命比使用普通的铅集流体的可能的使用寿命还要短。
发明内容
本发明的一个方面涉及用于储能设备的集流体板。该集流体板包括第一集流体和与第一集流体连接的结合层。至少一个导流体至少部分地被设置在第一集流体和结合层之间。
附图说明
包括在本说明书中并构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的一些示例性实施例，这些附图与文字描述一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1A绘示出了本发明一示例性实施例的集流体板；
图1B是沿图1A中线1B剖切的该集流体板的剖面图；
图2A绘示出了本发明一示例性实施例的导流体；
图2B绘示出了本发明一示例性实施例的集流体和导流体；
图3A绘示出了本发明一示例性实施例的另一种导流体；
图3B绘示出了本发明一示例性实施例的另外的集流体和导流体；
图4示意地示出了本发明一示例性实施例的电池的局部剖面。
具体实施方式
以下参考构成说明书一部分的附图进行描述，这些附图示出了可实现本发明的一些示例性实施例。为使本领域技术人员能实施本发明，将对这些实施例进行充分而详细的描述，而且本领域技术人员应该明白，还可采用其他实施例并且在不超出本发明范围的前提下可以进行一些变换。因此，不应将以下的描述理解为具有限制的含义。在任何可能的情况下，在全部附图中，相同的附图标记表示相同或类似的部件。
图1A和1B图示说明了一种与发明一示例性实施例相符的集流体板20。集流体板20可包括集流体11和13，它们可由任意的结合层22结合在一起。虽然在图1A和1B所示的示例性实施例中包括两个集流体11和13，本发明的其他一些实施例可仅包括一个集流体11或13。或者，集流体板20可包括两个以上的集流体。
虽然集流体11和13可由包括铅在内的各种材料制成，集流体11和13之一或两者可由泡沫碳制成。泡沫碳重量轻且具有导电性。在某些实施方式中，泡沫碳的密度可小于约0.6gm/cm3并可设置小于约1ohm/cm的电阻值的板材。碳还抗腐蚀，因此，可将集流体板20用于如铅酸电池之类的腐蚀性环境中。
所披露的泡沫材料可包括具有包含支杆和孔隙的三维网状结构的网纹的任何以碳为基的材料。所述泡沫可包括或者自然形成或者人工获得的材料或两者。
也可用泡沫石墨(即，一种泡沫碳)形成集流体11和13。可从Poco石墨有限公司(Poco Graphite，Inc.)购得一种商标名为PocoFoamTM的泡沫石墨。泡沫石墨的密度和孔结构与泡沫碳相似。泡沫石墨和泡沫碳之间的主要差别是构成泡沫的结构元素的碳原子的取向。例如，在泡沫碳中，碳主要呈非晶态。而在泡沫石墨中，很多碳有序地以层状结构存在于石墨粉中。由于石墨结构的有序特性，泡沫石墨比泡沫碳具有更高的传导性。PocoFoamTM泡沫石墨呈现出电阻率值在约100：∑/cm和约400：∑/cm之间。
结合层22可与集流体11和13联接在一起并为集流体板20提供结构支持。在某些实施例中，例如，在集流体11和13包括泡沫碳时，集流体11和13可包括孔隙14的网状结构。借助于使结合层22的材料穿过集流体11和13两者或之一所述孔隙可有利于将集流体11和13结合一起。可使用各种材料作为结合层22。结合层22可以是导电的或不导电的。此外，结合层22可包括聚合物(如聚丙烯)、环氧、金属、导电性聚合物、陶瓷、橡胶、复合物(如在聚合物基体中分布碳纤维)和它们的任意组合。
集流体板20还可包括至少一导流体31，该导流体至少部分地被设置在集流体11和13之一与结合层22之间。导流体31可由导电材料制成，并可与集流体11和13之一或两者电接触。导流体31还可包括朝离开集流体的方向延伸到外侧的部分，以用作建立集流体板20和外电路之间电连接的途径。另外，根据具体应用可使所述外在部分具有各种不同的尺寸构造。例如，可将导流体31的外在部分形成为突舌状伸出物，如图1A和1B所示，或者如所示出的那样，例如通过图4所示的导流体68和78使导流体31的外在部分具有足够的长度，以便在电池中提供内部连接的实体部分。
导流体31可包括任何导电材料。在本发明的某些实施例中，导流体31可包括硼、碳、石墨、导电性聚合物和它们的任意组合中的至少一种。此外，导流体31可包括碳纤维布、碳纤维带、非织造碳纤维布、碳纤维、多根碳纤维、碳纤维束、石墨纤维布、石墨纤维带、非织造石墨纤维布、石墨纤维、多根石墨纤维、石墨纤维束和它们的任意组合。
图2A示出了本发明一示例性实施例，其中导流体31包括碳纤维44的纤维束42。纤维束42可包括任意数量的碳纤维44(例如，1、2、10、100、1000、10,000或更多)。当存在于导流体31中的碳纤维44数增加时，导流体31可运载的电流量也增加。纤维束42的碳纤维44可以是石墨纤维，与碳纤维相比，石墨纤维可提供增大的传导性。
图2B示出了导流体31相对于集流体11的一种示例性结构。例如，导流体31可包括碳纤维44的纤维束42。纤维束42的至少一部分可伸出集流体11的边缘之外。在纤维束42的另一部分中，例如，与集流体11接触的那部分中，碳纤维44可以呈扇形或呈其他图形地展开。如图2B所示，展开的碳纤维44可使碳纤维44较均匀地分布于集流体11的表面上。这种分布有助于在集流体11和/或13与导流体31之间维持良好的电接触并使电荷在与导流体31相遇之前必须通过的集流体11、13的距离最短。另外，如图2A和2B所示，以展开的图形排列的碳纤维44可为集流体11和/或13提供一定的结构支持。
图3A示出了本发明的另一示例性实施例，其中导流体31包括多根碳纤维54，这些碳纤维至少部分地以形成织造布52的形式被织造在一起。与碳纤维44的纤维束42类似，织造布52的碳纤维54可以包括石墨纤维。
图3B示出了导流体31相对于集流体11的另一示例性结构。例如，导流体31可包括由多根碳纤维54形成的织造布52。至少部分织造布52可延伸在集流体11的边缘之外。在织造布52的另一部分中，例如，在与集流体11接触的那部分中，碳纤维54可呈扇形图案展开。如图3B所示，展开的碳纤维54可使碳纤维54较均匀地分布于集流体11的表面上。与图2A和2B所示的实施例类似，如图3A和3B所示，以展开的图形排列碳纤维有助于在集流体11和/或13与导流体31之间维持良好的电接触，并可为集流体11和/或13提供结构支持。
导流体31可任意地包括金属覆敷层。这种金属覆敷层可提高导流体31的耐用性并可促进外电路和集流体11和/或13两者的良好电接触。导流体31上的金属覆敷层还可促进导流体31的铅润湿(lead wetting)。所述铅润湿可确保在导流体31上焊接各种导体或确保使用模制铅带(如，将一或多个导流体的一部分浸没在含熔融铅的模具中，使其冷却而形成所述铅带)以连接到导流体31上。虽然金属覆敷层可包括任意的宽广范围的金属，在一示例性实施例中，金属覆敷层可包括银。
集流体板20还可包括设置在集流体11和13之一或两者上的化学活性浆料。设置于集流体上的浆料中的化学反应可使电池中的能量存贮和释放。该浆料的组分可确定是否将特殊的集流体板用作正极板或负极板。
初始，就化学组分而言，施加于正极和负极集流体板两者的集流体11和/或13的化学活性浆料可基本相同。例如，浆料可包括氧化铅(PbO)。当然其他铅氧化物也是合适的。浆料还可包括各种添加剂，例如，包括改变百分比的游离铅(free lead)、结构纤维、导电材料、碳、和在电池使用寿命期间适应体积变化的填充剂。
一旦在集流体11和/或13上设有化学活性浆料就形成了正极和负极集流体板。为产生正极集流体板，可任选地使化学活性浆料在升高的温度和/或湿度水平下固化，以激励浆料内的硫酸铅晶体的生长。负极集流体板不需要固化。除任选的干燥步骤外，氧化铅浆料可在负极集流体板上按“现状(asis)”保留下来。一旦制备好正极和负极板，可将它们组装在一起而形成电池。
图4示出了本发明一示例性实施例的电池60。电池60包括壳体64、负极端子62和正极端子63。在壳体64内设有至少一个原电池70。虽然只需一个原电池70，但可将多个原电池串联或并联连接，以使电池60具有期望的总电位。每个原电池70可通过原电池隔离件66与相邻的原电池70隔离。
每个原电池70可由浸没在电解液中的一或多个正极板76和一个或多个负极板72交替组成，电解液包括，例如，硫酸和蒸馏水。可在正极板76和负极板72之间设置板隔离件74，以减少或避免正极和负极板之间短路。正极板76和负极板72两者可包括集流体板20，例如，如图1A和1B所示。包括在负极板72和/或正极板76内的集流体11和13可包括泡沫碳或本领域公知的其他类型的集流体。
电池60的每个原电池70可包括导流体，例如图4所示的导流体68和导流体78。可用各种不同的方式构造导流体68和78，这些导流体可包括宽广范围内的任何材料。例如，可将导流体68和78构造成与导流体31类似，如图1A、1B、2A、2B、3A和3B中任一幅图所示。而且，导流体68和78可包括上面对导流体31的描述中的任何材料。在本发明一示例性实施例中，一或多个导流体68和78包括碳纤维束，更明确地说，包括石墨纤维束。在本发明另外的示例性实施例中，一或多个导流体68和78包括织造的碳纤维布，更明确地说，包括织造的石墨纤维布。
在每一原电池70中，所有正极板76可通过导流体68或78连接在一起。同样，所有负极板72可通过导流体68或78连接在一起。然而，应该注意的是，可对每个原电池进行其他可能的布线，甚至可根据具体应用作出更合适的布线。在本发明一示例性实施例中，电池60的原电池70以串联方式连接在一起，使一个原电池70的正极板76连接到毗邻或另一原电池70的负极板72上。此外，可将处于最高电位的原电池的正导流体连接到电池壳体上的电触点上，以形成正极端子63。同样，可将处于最低电位的原电池的负极导流体连接到电池壳体上的电触点上，以形成负极端子62。
命名时(As a nomenclature issue)，确定是否将具体的导流体考虑为正极导流体或负极导流体取决于对具体导流体比较的原电池。例如，对于一个原电池而言，具体导流体可能是正极导流体(即，导流体从原电池的正极板发出)，而对于另一原电池而言，同一个导流体可能是负极导流体(即，导流体从另一原电池的负极板发出)。在图4中，导流体78相对于原电池70是负极导流体。然而，导流体78对于邻近原电池70的那个原电池又是正极导流体。
可用各种不同的方法将集流体板的正极和负极导流体与电池60的原电池连接在一起。例如，可对导流体进行焊接、夹紧、编织、绞接(spliced)、加捻(twisted)、或它们的任意组合，以将两个或多个导流体连接在一起。另外，可使用铸造的铅带、带材、绳、螺母、夹子、或其他适当的联接器具或方法将一或多个导流体结合在一起。
工业实用性
本发明的集流体和导流体可广泛用于期望材料具有耐腐蚀性、较大的表面区域、高电导率或者重量轻的性能的各种应用中。例如，在一种可能的应用中，可将本发明的集流体和导流体用作如铅酸电池之类的电池的集流体板的组成部分。这些集流体和导流体可支持电池的化学活性组分和促进电流在电池的部件和终端之间流动。
由于集流体11、13和导流体31、68、78可包括碳(例如，碳/泡沫石墨和碳/石墨纤维)，即使这些组成部分暴露于硫酸中和受到铅酸电池的正极板的正极电位的影响仍可抗腐蚀。结果，与不用碳或泡沫石墨集流体和/或碳/石墨导流体的电池相比较，这种电池可具有显著延长的使用寿命。
另外，集流体11、13的泡沫碳包括孔隙14的网状结构，这种结构可为每个集流体11、13提供大的表面面积。由泡沫碳构成的集流体提供的表面面积可超过由传统的铅集流体提供的表面面积的2000倍。与集流体11、13相关的大的表面面积可解释为电池具有大的比能和功率值。例如，由于原电池开路、泡沫碳材料的较小的孔隙尺寸和多孔网状结构，正极和负极板的化学活性浆料可直接与集流体11、13的导电性碳材料结合。所以，化学活性浆料中具体反应位置处产生的电子在遇到集流体11、13的导电性泡沫碳之前只需在浆料中经过短的距离。例如，然后电流可被导流体31的多个展开的导电性纤维载运。
结果，具有泡沫碳的集流体11、13和碳/石墨纤维的导流体31的电池可提供改进的比能和功率值。换句话说，处于负荷条件下时，与或包括铅集流体或包括具有传统的导流体的石墨板集流体的电池相比，这些电池将它们的电压维持在高于预定阈值的时间更长。并且，这些电池与或者包括铅集流体或者包括石墨板集流体的电池相比能更迅速地放电。
由本发明的电池提供的增大的单位功率值也可解释为缩短了充电时间。所以，这种电池适用于在只有有限的时间内可获得充电能量的情况。例如，在车辆中，常规的刹车期间会损失很多能量。可回收这种刹车能量并将其用于例如向燃油电力两用车的电池充电。然而，刹车的能量只在很短的时间里可利用(即，发生刹车的同时)。由于本发明的电池的充电时间极短，它们可为储存这样的刹车能量提供有效途径。
泡沫碳集流体的多孔性能还可形成用于保留储能设备的化学活性浆料的改进的基底。通过将浆料浸入泡沫碳集流体的孔隙里，浆料不大可能与集流体分离。在通常发生震动的车辆和其他应用中这种特性是很重要的。
此外，采用包括由碳纤维构成的导流体和密度小于约0.6g/cm3的泡沫碳的集流体，电池的重量与包括铅集流体或石墨板集流体的电池的重量相比要轻得多。
显然，在不超出本发明的范围的前提下，本领域技术人员可对已描述的导流体和储能设备作出各种改型和变换。对本领域技术人员来说，从所公开的本发明的说明书和实施方式得出本发明的其他实施例也是显而易见的。上面的说明和一些实例仅是示例性的，本发明的实际范围应由所附权利要求请求保护的范围及其等同范围限定。

Claims (27)

1.一种用于储能设备的集流体板，该集流体板包括：
一第一集流体；
与所述第一集流体连接的一结合层；及
至少部分地被设置在所述第一集流体和所述结合层之间的至少一个导流体。
2.如权利要求1所述的集流体板，其中，还包括连接到所述结合层的第二集流体。
3.如权利要求2所述的集流体板，其中，所述第一集流体和第二集流体中至少之一是泡沫碳。
4.如权利要求1所述的集流体板，其中，所述至少一个导流体包括硼、碳和导电性聚合物中的至少一种。
5.如权利要求1所述的集流体板，其中，所述至少一个导流体包括碳纤维布、碳纤维带、非织造碳纤维布、碳纤维、多根碳纤维、和碳纤维束中的至少一种。
6.如权利要求1所述的集流体板，其中，所述至少一个导流体包括碳纤维束。
7.如权利要求6所述的集流体板，其中，所述碳纤维是石墨纤维。
8.如权利要求6所述的集流体板，其中，所述碳纤维束包括被设置在所述第一集流体和所述结合层之间的第一部分和从所述集流体板伸出的第二部分。
9.如权利要求8所述的集流体板，其中，所述碳纤维的所述第一部分中的至少一部分被展开。
10.如权利要求1所述的集流体板，其中，至少一个导流体包括碳纤维布。
11.如权利要求10所述的集流体板，其中，所述碳纤维布包括被设置在所述第一集流体和所述结合层之间的第一部分和从所述集流体板伸出的第二部分。
12.如权利要求11所述的集流体板，其中，所述碳纤维布的所述第一部分中的至少一部分包括被展开的碳纤维。
13.如权利要求11所述的集流体板，其中，所述碳纤维布的所述第二部分中的至少一部分包括金属覆敷层。
14.如权利要求1所述的集流体板，其中，所述结合层包括聚合物。
15.包括至少一个原电池的电池，该至少一个原电池包括：
至少一块包括泡沫碳集流体的正极集流体板；
至少一块连接到所述泡沫碳集流体的导流体；及
至少一块负极集流体板。
16.如权利要求15所述的电池，其中，所述至少一个导流体包括碳、硼、和导电性聚合物中的至少一种。
17.如权利要求16所述的电池，其中，所述至少一个导流体包括至少一石墨纤维。
18.如权利要求16所述的电池，其中，所述至少一个导流体包括石墨纤维布。
19.如权利要求15所述的电池，其中，所述至少一个导流体延伸远离所述第一泡沫碳集流体。
20.一种铅酸电池，包括：
一壳体；
连接到所述壳体的正极端子和负极端子；
设置在所述壳体内的电解质；
设置在所述壳体内的至少一个原电池，该原电池包括：
至少一块负极集流体板，其包括负极集流体、负极导流体、和设置在所述负极集流体上的以铅为基的化学活性浆料；及
至少一块正极集流体板，其包括正极集流体、正极导流体、和设置在所述正极集流体上的以铅为基的化学活性浆料，
其中，所述负极导流体和所述正极导流体中至少之一包括碳。
21.如权利要求20所述的铅酸电池，其中，所述正极导流体和负极导流体中至少之一包括石墨纤维束。
22.如权利要求20所述的铅酸电池，其中，所述正极导流体和负极导流体中至少之一包括石墨纤维布。
23.如权利要求20所述的铅酸电池，其中，还包括处于所述至少一个原电池内的多块正极集流体板，其中所述多块正极集流体板的所述正极导流体被连接在一起。
24.如权利要求23所述的铅酸电池，其中，还包括处于所述至少一个原电池内的多块负极集流体板，其中所述多块负极集流体板的所述负极导流体被连接在一起。
25.如权利要求20所述的铅酸电池，其中，还包括第二原电池，其中所述至少一个原电池的至少一正极导流体被连接到所述第二原电池的所述正极端子和负极导流体的至少之一上。
26.如权利要求20所述的铅酸电池，其中，所述至少一块正极集流体板包括泡沫碳正极集流体。
27.如权利要求20所述的铅酸电池，其中，所述至少一块负极集流体板包括泡沫碳负极集流体。
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