电功率存储设备制造技术

本发明专利技术涉及一种电功率存储设备,所述功率存储设备包括:涂覆有碳(石墨、膨胀石墨、活性碳、碳黑、碳纳米纤维、CNT或者石墨涂覆的CNT)的高表面面积纤维(例如,具有形状的纤维和/或微纤维)；电解质；和/或位于电极中的电极活性材料(例如,铅氧化物)。所述电极用于形成诸如电化学电池、电化学双层电容器以及非对称电容器的电存储设备。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2009年11月18日、国际申请号PCT/US2009/064992、国家申请号为200980146053.1、专利技术名称为“电功率存储设备”的专利技术专利申请的分案申请。相关申请本申请要求享有2008年11月18日提交的美国临时申请61/115,815和2009年2月9日提交的美国临时申请61/150,987的优先权，在这里以引用的方式将二者全部并入本文。
本专利技术涉及电化学电池、电化学双层电容器以及非对称电容器中的纤维(例如，毛细纤维)的使用。
技术介绍
已知提供诸如电化学电池和电容器之类的电功率存储设备在诸如汽车之类的车辆中使用。例如，已经在启动、点火和引燃(SLI)应用中使用铅酸电池。最常见的两种电功率存储设备是电池和电容器。通过生成施加到也可以用作电荷收集器的基底(例如，栅格、板或者丝网)的铅膏来形成常规的铅酸电池电极。随着铅膏的干燥，在电池电解质可能进入的铅膏内形成开孔，这增加了栅格的反应面积并且增加了其电荷能力。然而，过量的孔隙率降低了电极的结构整体性。此外，由于常规的电极具有有限的孔隙率，大量的活性材料不能接近电解质并且由于其对于反应不可用而未被充分利用或者基本上被浪费。典型地，常规铅酸电极中的大约一半的铅不可用或者未被使用。在整个寿命期间，电池会多次进行充电和放电，这也会随着供应电流重复反向的还原-氧化反应而使电极降质。随着时间的过去，电极的一部分可能变得与电极的剩余部分电断开。电极的结构整体性也随着时间恶化。为了将电极材料保持在适当的位置，可以使用纱幕层(scrimlayer)(例如，纤维网眼)。可以在施加活性材料膏之前在电荷收集器上放置纱幕层和/或在施加活性材料胶之后放置在该膏上。纱幕层可以帮助将电极保持在一起，但是不改善孔隙率或者增加反应性。电容器以两个导体之间的电场形式存储功率。典型的电容器使用薄板的堆叠(交替的电容器板和电介质)或者薄片的卷(交替的电容器和电介质片卷在一起)。能量通常以具有相等幅值和相反极性的电荷的形式存储在由电介质材料分隔开的相邻板或者片中。在典型的电容器中，电流从电容器表面流经整个电容器板，要求所述板是导电的以降低电阻损失，并且足够厚而不会过热和熔化。这样的要求对电容器的功率存储与重量比提出了不期望的限制。电容(即，存储在每一个板上的电荷量)与板表面面积成正比并且与板之间的距离成反比。因而，增加电容器存储能量的能力通常要求增加板尺寸和/或降低板之间的距离。然而，增加板尺寸增加了电阻和过热问题，并且降低板间隔增加了电荷直接经过板之间(即，短路)，将其烧毁并且使电容器不能够保持电荷的风险。电化学双层电容器(“EDLC”)是能够比传统的静电电容器在每单位重量和每单位体积上存储更多能量的功率存储设备。而且，EDLC通常能够以比常规的可再充电电池更高的功率额定传输所存储的能量。常规的EDLC使用碳作为电极中的活性材料。常规的EDLC包括通过多孔隔板隔离而免于电接触的两个多孔电极。隔板和电极都使用电解质溶液浸泡。这允许离子电流通过隔板在电极之间流动，但是防止了电流短路电池。电流收集栅格耦合到每一个电极的后面。EDLC在浸入在电解质中的两个电极之间存在电势时形成的极化液体层中存储静电能量。在电极两端施加电势时，由于在所施加的电场下的电荷分离，并且还由于电解质分子在电极的整个表面上的双极取向和排列，通过电解质离子的极化在电极-电解质界面处形成正负电荷的双层。在电荷存储机制中不涉及还原-氧化反应。非对称电化学电容器使用电池电极用于电极之一。电池电极与碳电极相比较具有大的容量，使得其电压不随着电荷明显改变。这允许更高的整体电池电压。非对称电容器材料的示例包括具有碳的PbO2和具有碳的NiOOH。基本和其它有利特征概况存在对于具有更大的功率存储能力、降低的重量和/或改善的可循环性的电功率存储设备的显著需要。期望提供一种例如在本申请中公开的包括这些或者其它有利特征中的任意一个或者多个的电池、电容器、非对称电容器等类型的功率存储设备：1.用于功率存储设备的电极在不降低结构整体性的同时具有增加的磁导率；2.用于功率存储设备的电极在不降低磁导率的同时具有增加的结构整体性；3.在不降低功率能力的同时使用较少活性材料的功率存储设备；4.包括作为电化学电池和电容器存储能量的电极的功率存储设备；5.比常规的功率存储设备具有更高的功率尺寸比的功率存储设备；
技术实现思路
示例性实施例涉及一种功率存储设备，所述功率存储设备包括至少一个正电极、至少一个负电极、以及将正电极与负电极分隔开的至少一个隔板，其中所述至少一个负电极或者至少一个正电极中的至少一个包括高比表面积的纤维。另一示例性实施例涉及一种电极，所述电极包括电荷收集器栅格、涂覆在所述电荷收集器栅格上的电极活性材料、以及高比表面积的纤维。另一示例性实施例涉及一种电极，所述电极包括电荷收集器，所述电荷收集器包括由高比表面积的纤维构成的毡以及涂覆在所述毡上的电极活性材料。在下面根据本专利技术的各种设备、结构和/或方法的各示例性实施例的详细描述中描述了根据本专利技术的系统和方法的各实施例的这些和其它特征和优点，并且通过所述详细描述，所述特征和优点将变得显而易见。附图说明将参考附图详细描述根据本公开的系统和方法的各示例性实施例，在附图中：图1是根据示例性实施例包括电池模块的车辆的透视图；图2是根据示例性实施例的电池模块的截面分解图；图3是根据本专利技术的三叶型纤维的示例性实施例的截面图；图4是根据示例性实施例的四叶型纤维的截面图；图5是根据示例性实施例的圆形纤维的截面图；图6是根据示例性实施例加载有碳并且涂覆有电池电极活性材料的三叶型纤维的截面图；图7是根据第一示例性实施例具有一毡毛细纤维的电极的部分透视图；图8是根据第二示例性实施例加载有碳和电解质并且涂覆在电池电极活性材料中的三叶型纤维的截面图；图9是根据示例性实施例具有涂覆在纤维的内部上并且渗透电解质的电极活性材料的纤维的截面图；图10是根据示例性实施例使用根据图9的实施例的纤维的双电化学电池和EDLC的正视图；图11A是根据示例性实施例的电池栅格的正视图；图11B是根据示例性实施例由高比表面积纤维覆盖的图11A的电池栅格的正视图；图11C是根据示例性实施例由电极活性材料覆盖的图11B的电池栅格的正视图；图12A是根据示例性实施例涂覆有电极活性材料的具有形状的纤维的截面图；图12B是根据示例性实施例涂覆有可渗透绝缘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量存储设备，包括：至少一个正电极；至少一个负电极；以及由多个纤维组成的毡，其中所述纤维选自两个组，第一组选自由三叶型截面的纤维、基本圆形截面的纤维和四叶型截面的纤维构成的组；并且第二组选自由盘绕纤维、环路纤维、空气卷绕纤维和前述纤维的组合构成的组。

【技术特征摘要】
2008.11.18 US 61/115,815;2009.02.09 US 61/150,9871.一种能量存储设备，包括：
至少一个正电极；
至少一个负电极；以及
由多个纤维组成的毡，其中所述纤维选自两个组，第一组选自由三叶型截面的纤维、基
本圆形截面的纤维和四叶型截面的纤维构成的组；并且第二组选自由盘绕纤维、环路纤维、
空气卷绕纤维和前述纤维的组合构成的组。
2.如权利要求1所述的能量存储设备，其中所述毡还包括微纤维。
3.如权利要求1所述的能量存储设备，其中添加剂被设置在所述纤维上。
4.如权利要求1所述的能量存储设备，其中所述毡是编织的。
5.如权利要求1所述的能量存储设备，其中所述纤维还包括卷曲纤维。
6.一种电池，包括至少两个板栅、活性材料和纱幕层，其中所述纱幕层包括设置在所述
活性材料和一个或多个板栅之间的纤维网眼，并且所述纱幕层至少部分地嵌入在活性材料
中。
7.如权利要求6所述的电池，其中所述纱幕层进一步由纤维组成，所述纤维选自由三叶
型截面的纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·M·斯特金，D·A·韦策尔，R·G·格伦斯特恩，W·J·弗鲁克，R·苏巴拉曼，J·S·西曼斯基，E·迈斯纳，
申请(专利权)人：约翰逊控制技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US