集流体结构及改进铅-酸蓄电池性能的方法技术

一种电池、电池电极结构以及制造它们的方法。本产品和方法包括将包含铅锡的合金层涂覆到用于铅－酸蓄电池的阳极或阴极的基底，其中，基底为多孔或网状。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
集流体结构及改进铅-酸蓄电池性能的方法
总起来说，本专利技术涉及铅-酸蓄电池电极，具体地说，本专利技术涉及大表面积电极，这种大表面积电极能以单独或相结合的一种或多种方式改进铅-酸蓄电池性能，例如：放电比容量、正电极活性物质利用率以及放电/充电循环性能。技术背景具有多种结构的铅-酸蓄电池是一种久享盛誉的用于诸如启动-点亮-点火装置(SLI)、不间断电源(UPS)和动力的不同应用的电源。随着在应用方面的不断发展，例如在电动车辆和混合式电动车辆(EV和HEV)方面的应用，通常对电池技术特别是对铅-酸蓄电池提出具有挑战性性能的要求。Pavlov总结了用于浸渍和阀控型铅-酸蓄电池以瓦特时/千克(Wh/kg)表示的电池比能量和电池放电/充电循环次数之间的关系。对于两种电池类型，电池比能量越高放电/充电循环次数就越低，由此电池循环寿命就低。典型的，具备40Wh/kg比能量的浸渍电池可用于大约500次放电/充电循环，而只产生30Wh/kg的电池可用于大约850次循环。因此，显而易见需要改善铅-酸蓄电池的比能量和循环寿命以便使其更好的适用于电力牵引应用。众所周知，结合铅集流体的重量，正极活性物质的利用率低，特、别是在正电极上，因此限制了铅-酸蓄电池的实际比能量。集流体的结构在确定阳性活性物质(PAM)的利用率中起到重要作用。在放电期间，在正电极上，集流体的结构必须考虑到在保持与活性材料电接触并确保离子迁移到电活性位置时显著体积的增加，例如，PbSO4、与PBO2的摩尔比为1.88。在现有描述的技术中有很多例子通过提高涂覆到电池集流体(或极栅)上的基于铅化合物的膏剂(活性材料)的多孔性和比表面积来提高比能输出。例如，Stoilov等在美国专利5,332,634中陈述“有必要用多孔的活性物质制备铅电极，所述多孔活性物质具有很大的活性表面积，并加强了活性物质和极栅之间的点连接。如此一种多孔铅电极将使电化学电池和蓄电池产生更多的单位重-->量功率，并且显示出很低的电阻”。关于在电池集流体结构的改进，Czerwinski和Zelazowska已经描述了沉积到非金属开孔基底即网状玻璃态碳(RVC)上的铅的电化学行为。这些作者通过从包含20克/升NaOH的碱性溶液电沉积10分钟的Pb以制造负电极并且通过利用浓缩的基于硝酸铅的溶液(Pb(NO3)2)阳极氧化以在正电极上形成二氧化铅(PbO2)来制备小的1平方厘米的几何面积的集流体。产生的活性物质Pb和PbO2的数量都较小，分别大约是19.3毫克和22.3毫克。因此，如果利用上述电极组装了电池，相应的容量会非常的小，在4.5mAh的范围内，满足不了实际需要。此外，由于所推荐的活性物质产生工序需要碱性和基于硝酸盐的电解液，Czerwihski和Zelazowska描述的电池结构在作为铅-酸蓄电池的工作电解液的硫酸中是不可再充电的。因此，现有技术提出一种制造具备一次循环寿命(即使用一次)的铅-酸蓄电池的技术。明显的地，其没有设想在网状基底上粘附活性材料来产生大容量、可再充电电池。Das与Mondal建议开发具有沉积在轻重量的、可导电的诸如碳棒的基底上的活性物质薄层的铅-酸集流体。根本原因只是降低铅-酸系统的“自重”，这样就可以稍微增大比能量。Snaper在美国专利6,060,198中描述了电池中用作集流体的网状金属结构的使用，该电池中，网状结构由多个五边形正十二面体组成。这种现有技术没有教导利用这种结构来改进铅-酸蓄电池的循环寿命和性能的方法，并且没有设想使用诸如网状碳的非金属导电基底来减轻电池重量。上述有关网状结构的现有技术参都没有考提出结合具备含膏剂的网状结构以制造一种适用于多次充电/放电循环的可再充电电池的需要。
技术实现思路
本专利技术涉及通过利用集流体结构改进铅-酸蓄电池的性能、尤其是循环性能的方法，所述集流体结构是基于轻重量、多孔、开孔、高比表面积(如大于500m2/m3)、涂覆有铅锡合金的基底。更具体地说，它涉及沉积在轻重量、开孔的诸如碳或铝的基底上的铅锡合金的使用，以便显著提高铅-酸蓄电池中用作阳极和/或阴极的随后的(subsequent)大表面积电极的循环性，同时可以实现所有现有技术提到诸如网状电极的大表面积多孔电极的优点。-->本专利技术提供一种用于在铅-酸蓄电池中产生电能的改善的集流体结构。该集流体由网状、轻重量、可导电的立方体基底基体组成，其特征在于较高的比表面积(即在5×102到2×104m2/m3之间)和孔隙率(即在70％到98％之间)。多种材料可以充当上述基底，如网状玻璃态碳、铝、铜和有机导体、或者单独使用或化合物。此外，该集流体的整体部分由沉积在整个立体网状基体表面和纵深的铅锡层组成，以便尽可能均匀地覆盖基底基体的所有系带(ligament)。根据预期应用和电池循环寿命，所沉积的铅合金层的厚度可以在诸如20到2000微米之间的范围内。形成的由铅合金层覆盖的轻重量基体组成复合结构可以用作铅-酸蓄电池中的正和/或负集流体。本领域的专业技术人员可以理解的是，为了获得一种实用的铅-酸蓄电池，可以利用任何种类的基于氧化铅和/或硫酸铅的膏剂对上述集流体进行粘附处理。通过粘附集流体所形成的电极接触到所需要浓度的硫酸并且被组合成任何类型的浸渍或阀控铅-酸蓄电池。在化成(初始充电)之后，该膏剂被转化成作活性材料(或活性物质)，该活性材料分别是正电极上的氧化铅和负电极上的铅。当铅-酸蓄电池放电时，正电极上的氧化铅和负电极上的铅就都被转化成硫酸铅，并且电流就通过集流体(或极栅)被传送到耗费源(负载)。在充电期间，通过集流体将直流电提供给硫酸铅并重新产生活性材料。因此，集流体同活性物质的相互作用对于铅-酸蓄电池的性能至关重要。本专利技术还提供制造高性能集流体的方法，所述法包括的步骤有：铅或铅合金的沉积以及接线片，接头和框架与立体基底附着。附图说明图1A是依照本专利技术的一个实施例的集流体的正面示意图；图1B是依照本专利技术的另一个实施例的集流体的正面示意图；图1C是依照本专利技术的一可选实施例的集流体的正面示意图；图2是依照本专利技术一个实施例的大比表面积、网状部分的集流体结构的扫描电子显微图像；图3显示了依照本专利技术通过背向散射电子显微技术获得的集流体结构的剖视图；图4比较了依照本专利技术制造的涂覆有纯铅和铅锡(铅和锡的重量比为99∶1)的集流体的初期循环性能；-->图5比较了依照本专利技术制造的电镀了铅锡的网状玻璃态碳的和叠箱铸型集流体设计的正极限制的额定比容量；图6显示了配有依照本专利技术制造的电镀了铅锡的玻璃态碳集流体的浸渍单电池2负特电池的正极限制的循环性能。具体实施方式图1显示了依照本专利技术的一个实施例的集流体结构的正视图。附图标记1表示的是通过在导电的、网状基底上沉积铅和铅合金来制造的大比表面积部分，该网状基底例如网状玻璃态碳，但不限于此。高比表面积部分附属于框架2，框架2依次连接到接线片3。框架和接线片都由铅或铅合金制成。在另一个实施例中，如图1B所示，通过插入属于整个框架结构2的长条来划分沉积有铅或铅锡合金的网状部分1。这种划分改进了在集流体结构的高比表面积部分上的电流和电位分布特性，特别是在大极板设计的情况下。通过图1C表示了另一种设计类型。在这种情况下，顶部连接器3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电池中的电极，所述电极包括导电基底以及涂覆到所述表面的包含铅锡的合金层，所述导电基底包含由表面为界的开孔。

【技术特征摘要】
US 2001-9-26 60/325,3911.一种用于电池中的电极，所述电极包括导电基底以及涂覆到所述表面的包含铅锡的合金层，所述导电基底包含由表面为界的开孔。2.权利要求1所述的电极，其中，所述层通过电镀施加。3.权利要求1所述的电极，其中，所述层通过汽相沉积施加。4.权利要求1-3任一项所述的电极，其中，所述基底包含碳。5.权利要求4所述的电极，其中，所述碳是形成所述孔的网状玻璃态碳。6.权利要求1-5任一项所述的电极，其中，所述基底包含铝。7.权利要求1所述的电极，其中，所述基底是形成网状结构的导电金属。8.权利要求7所述的电极，其中，所述导电金属包含铝。9.权利要求1-8任一项所述的电极，其中，所述电极包括在电池内装配及形成功能电极的结构。10.权利要求1-9任一项所述的电极，其中，所述合金的锡含量在所述合金中所占重量比在大约0.2％到大约3％之间。11.权利要求1-10任一项所述的电极，其中，所述合金的锡含量在所述合金中所占重量比在大约0.5％到大约2％之间。12.权利要求1-11任一项所述的电极，其中，所述基底中每立方米的基底孔的表面积大约在500至20,000平方米之间。13.权利要求1-12任一项所述的电极，其中，所述合金的厚度尺寸在大约20至2000微米之间。14.权利要求5所述的电极，其中，所述玻璃态碳每英寸测量长度包含大约20到30个孔隙。15.权利要求1-14任一项所述的电极，其中，至少部分所述表面被涂覆上含铅的导电膏剂，由此形成铅-酸蓄电池极板。16.权利要求1-15任一项所述的电极，其中，所述膏...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃罗德杰安杰，乔伊军，艾尔文A斯奈普，
申请(专利权)人：埃罗德杰安杰，乔伊军，艾尔文A斯奈普，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]