改进的铅酸电池结构制造技术

电池包括本发明专利技术的碳纤维电极结构，改进了DCA和/或CCA，和/或可以在充电-放电周期的次数越来越多的情况下保持DCA，因此可以特别适用于混合动力汽车。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的铅酸电池结构
本专利技术涉及铅酸性电池的改进的电池结构，具体但不排他地涉及混合动力汽车的 汽车电池。
技术介绍
铅酸电池通过其电极表面上的电化学反应来存储和释放能量。处于满充电状态的 每一电池都包含在稀硫酸（H2S04)的电解液中的元素铅（Pb)和二氧化铅（IV) (Pb02)的电 极。在放电状态，两种电极都变成硫酸铅（II) (PbS04)，电解液丧失其溶解的硫酸并主要变 为水。在涂膏式极板结构中，每个极板包括最初用包括含铅的氧化物（Pb和PbO)和稀硫酸 的混合物的膏状物填充的铅栅格。此结构在电池（cell)形成过程中（第一充电和放电周 期，在该过程中，在相邻粒子之间产生联接（linkage))允许膏状物中的酸与极板内的铅氧 化物起反应，增大了导电性和有效表面面积，如此，增大了电池容量。膏状物也可以包含碳 黑、硫酸钡粉（精细硫酸钡）、以及木素磺化盐。 由世界范围内的越来越大的对较低汽车排放和/或增大的燃料经济性的需求驱 动的汽车动力混合化增大了对汽车电池（最常见的是铅酸电池）的需求。例如，欧盟为新 汽车确立了在2020年之前达到不超过95g二氧化碳/km的长期排放目标。 许多以新内燃机（汽油、柴油机或燃气）为动力的汽车还具有怠速消除功能一 发动机被配置为当汽车静止或以低速度行驶时关闭。这样的汽车被称为停止-启动汽车或 微混合动力汽车。每次发动机重新启动都从电池吸收能量，如果这比能量可通过再充电来 替换发生得更快，只在相对短的发动机运转的时间段，例如，在上下班交通中，那么电池电 量（或电量状态）将不能被保持。在车辆发动机关闭的时间段也从电池吸收电流，以保持汽 车中的其他功能，诸如空调、收音机等等（被称为宾馆负载）。电池电量可能会下降得足 以使得车用电池管理系统将接着拒绝怠速消除功能以防止任何进一步的发动机停止-启 动，直到电池的电量的状态恢复。如此，为了甚至例如在繁忙的上下班交通中保持电池电 量，用于这样的停止-启动或微混合动力汽车的电池应该具有高动态充电接受OCA)率，这 是指电池将接受充电的速率。 具有较高级别的混合动力的汽车，包括具有内燃发动机和电动机两者的汽车，通 常包括再生制动，其中，刹车力由发电机施加，来自发电机的电能存储在车用电池中。在驱 动发电机（这里包括交流发电机）的内燃发动机不运转的时段期间，车用电池只通过来自 再生制动的电流充电。在再生制动下，相对高的充电电流在短时间被提供给车用电池，因 此，具有再生制动的混合动力汽车的电池也应该具有高DCA。完全电动车辆也包括再生制 动。 混合动力汽车的充电系统被配置为使用发动机驱动的发电机，以将车用电池的充 电状态保持在小于完全充电，诸如，例如，约80 %充电，以便一般有可以用来接受来自再生 制动的额外的充电能量的容量。然而，电池DCA通常会随着时间的推移，随着放电和充电 (小于完全充电）周期的次数的增多，而下降，AGM电池通常在几千个周期内在约0. 1到 0. 3A/Ah(或0. 1到0. 3C)操作。这种充电接受率的损失降低了汽车的燃油节约能力；汽车 制造者理想地希望电池能够在5到10秒的时间段内接受高达2A/ah，或者甚至3A/Ah，以最 大化启动/停止和再生制动功能的燃油节约潜力。然而，高于〇. 1到〇. 3A/Ah的任何改进 都是有价值的改进。通常，混合动力汽车的充电系统被配置为允许电池放电并接着（使用 发动机驱动的发电机）给电池充电。一般而言，汽车电池管理系统将周期性地给电池完全 充电（或还原电池），以恢复电池DCA，诸如每隔三个月。理想的铅酸电池，特别是用于 混合动力汽车的铅酸电池，将保持DCA而无需周期性的完全充电，或至少将在还原周期之 间保持较高的DCA率。 在铅酸电池中，DCA主要由负电极中的充电反应确定。 电池还应该满足其他要求，诸如具有高体积能量密度。体积能量密度（VED)是指 电极的每单位体积所提供的能量。封闭的铅酸电池系统还应该具有低水消耗量。特别是， 车用电池应该能够在低温度时提供用于发电机起动的高电流。冷起动安培数（CCA)测试可 测试电池这方面的能力。 美国专利No. 7569514描述了利用活性碳作为吸附式玻璃纤维棉电池中的电极， 以克服硫酸化，以由此提高电池的动态充电接受率。 美国专利No. 4429442描述了一种铅酸电池极板，包括金属栅格和活性物质 (activemass)，以及在活性物质的一侧包括一层碳纤维材料，以增强活性物质的机械完整 性。 美国专利No. 4342343描述了在涂膏极板的面上带有互连的碳纤维的负的铅酸蓄 电池极板。在制造过程中，通过将纤维固定到纸载体然后将它按压到极板上来增强可成形 性。 美国专利No. 6617071描述了具有在栅板的表面上形成的导电聚合物基体的电 极，其中，导电聚合物基体包括活性材料的超细的或纳米级粒子。 我们的国际专利申请公开W02011/078707公开了一种铅酸电池，包括导电纤维材 料丝作为集流体，带有低纤维间间隔和附着于纤维的基于铅的粒子的导电链，提供了改进 的电池性能，特别是DCA。
技术实现思路
本专利技术的至少一些实施例的目标是提供改进的或至少可另选的电极和/或电池 单元和/或电池，这种电极和/或电池单元和/或电池尤其但不一定排他地适用于混合动 力汽车和/或用于制造混合动力汽车的方法。 广义上来讲，一方面，本专利技术包括一种铅酸电池或电池单元，其包括至少一个（非 合成或合成）电极，该电极包括导电纤维材料作为集流体，导电纤维材料包括当充满电时 至少约0. 3的空隙度（是铅和导电纤维之间的孔占据的体积比），以及当转换为体积比时在 约0. 7:1或约1:1到约15:1或约10:1的范围内的铅（以任何形式）与导电纤维质量的质 量载入比（分别都在电极的至少一大部分上，更优选地，在基本上全部电极上）。 广义上来讲，在另一方面，本专利技术包括一种用于制造铅酸电池或电池单元的方法， 该方法包括：形成至少一个（非合成或合成）电极，其包括导电纤维材料作为集流体，导电 纤维材料包括，当充满电时，至少约〇. 3的空隙度（是铅和导电纤维之间的孔占据的体积 比），以及当转换为体积比时，在约0.7:1或约1:1到约15:1或约10:1的范围内的铅与导 电纤维质量的质量载入比。 在某些实施例中，空隙度在约0. 3和约0. 9之间，约0. 3和约0. 85之间，更优选地， 在约0. 3和约0. 8之间，更优选地，在约0. 5和约0. 98之间，进一步优选地，在约0. 8和约 0. 95之间。 在某些实施例中，当转换为Pb时活性材料与导电纤维的体积载入比在约0. 7:1或 约1:1和约7:1之间，或在约1. 5:1和约5:1之间，或在约2:1和约4:1之间。 通常，空隙度可以作为在铅和碳之间形成的通道存在，以使得在每个碳纤维之间 形成铅粒子。在某些实施例中，导电纤维之间的平均间隔在约0. 5和约10个纤维直径之 间，更优选地，在约1和约5个纤维直径之间。在某些实施例中，纤维之间的平均纤维间间 隔小于50微米或小于20微米。优选地，所述平均纤维间间隔在材料的至少大部分上，更优 选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铅酸电池或电池单元，包括至少一个(非合成或合成)电极，所述电极包括导电纤维材料作为集流体，所述导电纤维材料具有当充满电时至少约0.3的空隙度(是铅和导电纤维之间的孔占据的体积分率)、以及当转换为体积比时在0.7:1到约15:1的范围内的铅(以任何形式)与导电纤维质量的质量载入比(分别在电极的至少大部分上)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.08 US 61/608,259;2012.07.03 US 61/667,6261. 一种铅酸电池或电池单元，包括至少一个（非合成或合成）电极，所述电极包括导电 纤维材料作为集流体，所述导电纤维材料具有当充满电时至少约〇. 3的空隙度（是铅和导 电纤维之间的孔占据的体积分率）、以及当转换为体积比时在0. 7:1到约15:1的范围内的 铅（以任何形式）与导电纤维质量的质量载入比（分别在电极的至少大部分上）。2. -种铅酸电池或电池单元，包括至少一个（非合成或合成）电极，所述电极包括导电 纤维材料作为集流体，所述导电纤维材料具有当充满电时至少约〇. 3的空隙度（是铅和导 电纤维之间的孔占据的体积分率）、以及当转换为体积比时在约1:1到约10:1的范围内的 铅（以任何形式）与导电纤维质量的质量载入比（分别在电极的至少大部分上）。3. 根据权利要求1或权利要求2所述的铅酸电池或电池单元，包括至少一个电极，所述 电极包括导电纤维材料作为集流体，所述导电纤维材料具有当充满电时在约〇. 3和约0. 9 之间的空隙度。34. 根据权利要求1或权利要求2所述的铅酸电池或电池单元，包括至少一个电极，所述 电极包括导电纤维材料作为集流体，导电纤维材料包括当充满电时在约〇. 3和约0. 85之间 的空隙度。5. 根据权利要求1或权利要求2所述的铅酸电池或电池单元，包括至少一个电极，所述 电极包括导电纤维材料作为集流体，导电纤维材料具有当充满电时在约〇. 3和约0. 80之间 的空隙度。6. 根据权利要求1或权利要求2所述的铅酸电池或电池单元，包括至少一个电极，所述 电极包括导电纤维材料作为集流体，导电纤维材料具有当充满电时在约〇. 7和约0. 95之间 的空隙度。7. 根据权利要求1或权利要求2所述的铅酸电池或电池单元，包括至少一个电极，所述 电极包括导电纤维材料作为集流体，导电纤维材料具有当充满电时在约〇. 5和约0. 98之间 的空隙度。8. 根据权利要求1或权利要求2所述的铅酸电池或电池单元，包括至少一个电极，所述 电极包括导电纤维材料作为集流体，导电纤维材料具有当充满电时在约〇. 8和约0. 95之间 的空隙度。9. 根据权利要求1到8中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，包括至少一个电极， 其中，当转换为Pb时活性材料与导电纤维的体积载入比在约1:1和约7:1之间。10. 根据权利要求1到8中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，包括至少一个电 极，其中，当转换为Pb时活性材料与导电纤维的体积载入比在约1. 5:1和约4:1之间。11. 根据权利要求1到8中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，包括至少一个电 极，其中，当转换为Pb时活性材料与导电纤维的体积载入比在约2:1和约3:1之间。12. -种铅酸电池或电池单元,包括至少一个（非合成或合成）电极,所述电极包括导 电纤维材料作为集流体，所述导电纤维材料具有当充满电时至少约〇. 3的空隙度（是铅和 导电纤维之间的孔占据的体积分率），以及铅（以任何形式）的体积与导电纤维的体积的载 入比（分别在电极的至少大部分上），它们一起在空隙度（X轴）和铅的体积与导电纤维的 体积的载入比（y轴）的图上定义了一点，该点落在由所述图上以斜率约-1/0. 02从约98% 的X轴空隙度值起的一条线，和所述图上以斜率约-1/0. 3从约70%的X轴空隙度值起的另 一条线所定义的区域内。13. 根据权利要求12所述的铅酸电池或电池单元，其中，空隙度和铅的体积与导电纤 维的体积的载入比一起在所述图上定义了一点，该点落在以斜率约-1/0. 03从约97%的X 轴空隙度值起的一条线、和以斜率约-1/0. 2从约80 %的X轴空隙度值起的另一条线所定义 的区域内。14. 根据权利要求12所述的铅酸电池或电池单元，其中，空隙度和铅的体积与导电纤 维的体积的载入比一起在所述图上定义了一点，该点落在以斜率-1/0. 04从96%的X轴空 隙度值起的一条线、和以斜率约-1/0. 15从85%的X轴空隙度值起的另一条线所定义的区 域内。15. -种包括至少一个（非合成或合成）电极的铅酸电池或电池单元,所述电极包括碳 纤维材料作为集流体，该碳纤维材料具有小于40%的碳纤维体积分率，以及大于0. 5的铅 (以任何形式）的体积与碳纤维的体积的载入比（分别在电极的至少大部分上，更优选地， 在基本上全部电极上）。16. 根据权利要求15所述的铅酸电池或电池单元，具有小于30%的碳纤维体积分率， 以及大于〇. 7的铅的体积与碳纤维的体积的载入比。17. 根据权利要求15所述的铅酸电池或电池单元，具有小于20%的碳纤维体积分率， 以及大于1 :1的铅的体积与碳纤维的体积的载入比。18. 根据权利要求1到17中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，导电纤维材 料中的纤维之间的平均纤维间间隔在约1和约5个平均纤维直径之间。19. 根据权利要求1到18中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，导电纤维材 料中的纤维之间的平均纤维间间隔小于约50微米。20. 根据权利要求1到18中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，导电纤维材 料中的平均间隔小于约20微米。21. 根据权利要求1到20中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，平均纤维直 径小于约20微米。22. 根据权利要求1到20中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，导电纤维材 料包括碳纤维材料。23. 根据权利要求22所述的铅酸电池或电池单元，其中，碳纤维材料包括非纺织碳纤 维材料。24. 根据权利要求23所述的铅酸电池或电池单元，其中，所述非纺织碳纤维包括碳纤 维毛毡材料。25. 根据权利要求23或权利要求24所述的铅酸电池或电池单元，其中，通过在面内分 割较厚的非纺织材料，生产厚度约2. 5mm或更小的非纺织碳纤维材料。26. 根据权利要求22所述的铅酸电池或电池单元，其中，碳纤维材料包括纺织碳纤维 材料。27. 根据权利要求22所述的铅酸电池或电池单元，其中，碳纤维材料包括编织碳纤维 材料。28. 根据权利要求22到27中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，碳纤维材 料由碳纤维丝束制成，碳纤维丝束被拉断以将各个连续丝分裂成较短的丝，并在每个断点 纵向分离丝的末端，以减少碳纤维丝束的丝支数。29. 根据权利要求22到28中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，导电纤维 材料包括平均长度在约3到约50mm的范围内的丝。30. 根据权利要求22到30中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，碳纤维材 料具有在材料的主平面内的长度和宽度尺寸、和垂直于材料的所述主平面的小于5mm的平 均厚度。31. 根据权利要求22到30中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，碳纤维材 料具有在材料的主平面内的长度和宽度尺寸、和垂直于材料的所述主平面的小于3mm的平 均厚度。32. 根据权利要求22到30中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，碳纤维材 料具有在材料的主平面内的长度和宽度尺寸、和垂直于材料的所述主平面的小于2mm的平 均厚度。33. 根据权利要求22到32中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，通过电弧 放电对碳纤维材料进行热处理。34. 根据权利要求33所述的铅酸电池或电池单元，其中，通过在所述碳纤维材料和两 个电极之间的间隙中的电弧之间引起相对运动，或使其经过一电极从而电弧存在于电极和 碳纤维材料之间，来通过电弧放电对碳纤维材料进行热处理。35. 根据权利要求33或权利要求34所述的铅酸电池或电池单元，其中，通过电弧放电 对碳纤维材料进行热处理，以蒸发碳纤维材料的大部分非石墨碳和仅一小部分石墨碳。36. 根据权利要求33或权利要求34所述的铅酸电池或电池单元，其中，对碳纤维材料 进行热处理，以蒸发碳纤维材料的石墨碳的一小部分。37. 根据权利要求22到36中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，碳纤维材 料包括或来源于人造丝、聚丙烯腈、酚醛树脂、或树脂材料。38. 根据权利要求1到37中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，导电纤维材 料包括该电极或每个电极的唯一集流体。39. 根据权利要求1到37中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，该电极或每 个电极还包括金属栅格。40. 根据权利要求39所述的铅酸电池或电池单元，其中，导电纤维材料在金属栅格的 一侧包括单层。41. 根据权利要求39所述的铅酸电池或电池单元，其中，导电纤维材料在金属栅格的 两侧中的至少一侧包括多个层。42. 根据权利要求39到41中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，至少20% 的活性物质在导电纤维材料中。43. 根据权利要求39到41中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，至少40% 的活性物质在导电纤维材料中。44. 根据权利要求39到41中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，至少60% 的活性物质在导电纤维材料中。45. 根据权利要求39到44中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，不超过 80 %的活性物质在导电纤维材料中。46. 根据权利要求1到41中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，通过将包括 基于Pb的粒子的膏状物注入到电极中并使形成电流通过电极，来形成附着于导电纤维材 料的基于Pb的粒子的导电链。47. 根据权利要求46所述的铅酸电池或电池单元，其中，基于Pb的粒子主要包括Pb与 PbO粒子。48. 根据权利要求47所述的铅酸电池或电池单元,其中，膏状物还包括稀硫酸。49. 根据权利要求48所述的铅酸电池或电池单元，其中，注入电极中的膏状物还包括 稀硫酸，所述稀硫酸包括按重量计在〇%和约5%之间的硫酸。50. 根据权利要求48所述的铅酸电池或电池单元，其中，注入电极中的膏状物还包括 稀硫酸，所述稀硫酸包括按重量计在〇%和约3%之间的硫酸。51. 根据权利要求48所述的铅酸电池或电池单元，其中，注入电极中的膏状物还包括 稀硫酸，所述稀硫酸包括按膏状物的重量计在〇%和约5%之间的硫酸。52. 根据权利要求46到51中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，注入时的 膏状物中的基于Pb的粒子的平均粒子大小小于10微米。53. 根据权利要求46到52中的任何一个所述的铅酸电池或电池单元，其中，注入到 电极中的膏状物具有足够低的粘度以致于在重力下可以在水平表面上流动（...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·克里斯蒂，Y·S·王，G·泰特曼，J·巴拉哈姆森，
申请(专利权)人：阿克爱科蒂夫有限公司，
类型：发明
国别省市：新西兰;NZ