复合碳泡沫体的制作方法

专利名称：复合碳泡沫体的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料，且更具体而言，涉及导电的复合碳泡沫体。
背景技术：
已知电化学电池(其中包括例如铅酸电池和基于4^的电池)包括至少一 个正极集流体、至少一个负极集流体、和电解质溶液。在传统铅酸电池中， 例如正极集流体和负极集流体两者均由铅构成。这些铅集流体的作用是在 充电和放电过程期间向和从电池端子输送电流。铅酸电池中电能的存储和 释放通过在设置在集流体上的糊中发生的化学反应实现。正极集流体和负 极集流体一旦涂布有这种糊，则分别被称为正极板和负极板。对铅酸电池 耐用性的显著限制为正极板的铅集流体的腐蚀。
铅集流体的腐蚀速率是决定铅酸电池寿命的主要因素。 一旦将电解质 (例如，硫酸)加入到电池中并且使电池充电，则各正极板的集流体由于暴露 于硫酸和正极板的阳极电位而连续经受腐蚀。正极板集流体的这种腐蚀的 最具破坏性的效果之一是体积膨胀。具体地，随着铅集流体腐蚀，由该集 流体的铅源金属形成二氧化铅。而且，与消耗以产生二氧化铅的铅源材料 相比，该二氧化铅腐蚀产物具有较大的体积。铅源材料的腐蚀以及随后二 氧化铅腐蚀产物的体积增加称为体积膨胀。
体积膨胀在集流体上诱发使该集流体变形和伸展的机械应力。在集流 体的总体积增加约4% ~7%时，该集流体可破裂。结果，电池容量可下降， 并且最终，电池将达到其使用寿命的终点。另外，在腐蚀的晚期，可发生 集流体内的内部短路以及单元壳的破裂。这些腐蚀效果两者可导致电池内 一个或多个单元的故障。
延长铅酸电池使用寿命的 一种方法是提高正极板的集流体的耐腐蚀 性。已经提出几种用于抑制铅酸电池中腐蚀过程的方法。由于碳在铅酸电 池通常运行的温度下不氧化，因此这些方法的 一些已经涉及使用各种形式 的碳以减緩或者防止铅酸电池中的有害的腐蚀过程。例如，在美国专利公开No. 20040121238中已提出碳泡沫体作为用于铅酸电池中的集流体材料。 相对于铅集流体栅，使用碳泡沫体(例如，石墨泡沫体)作为集流体可增加集 流体的耐腐蚀性以及表面积。集流体的这种额外的表面积可增加电池的比 能量和比功率，从而提高其性能。然而，在该泡沫体中形成的孔网络中， 可存在可允许带电离子嵌入到泡沫体的结构中的多个间断面(discontinuity)。 这些离子可像打进碳泡沫体结构内的楔子一样作用，引起内部破坏(例如龟 裂和分离)和导致集流体的过早损坏。当碳泡沫体结构包含石墨时，嵌入效 应可为特别普遍的。此外，间断面可提供促进碳泡沫体和各种化学反应性 物质之间的化学相互作用的反应部位。该化学相互作用可损害碳泡沫体的 结构完整性。该化学反应性可对许多类型的碳泡沫体具有破坏效果。 本发明涉及克服现有技术中存在的问题或者缺点的一个或者多个。

发明内容
本发明的装置和方法涉及导电的复合碳泡沫体。
本公开内容的一个实施方式包括复合泡沫体。该复合泡沫体包括包含 孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料。该复合泡沫体进一步包括以复合泡 沫体的约0.5重量％或更大至少于25重量％的量选择性地沉积在所述碳泡 沫体材料的多个间断面的至少 一些之上或者之内的第二材料。
在另一实施方式中，公开导电的复合泡沫体。该导电的复合泡沫体包 括包含孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料，其中该碳泡沫体具有不大于 50000pQ-cm的电阻率值。该导电的复合泡沫体进一步包括选择性地沉积在 所述碳泡沫体材料的多个间断面的至少 一些之上的第二材料。
在又一实施方式中，公开铅酸电池。该铅酸电池包括外壳、设置在该 外壳内的至少一个单元、电解质、和至少一个包含复合泡沫体材料的导电 部件。该复合泡沫体材料包括碳泡沫体材料，其包含孔网络和多个间断 面；和第二材料，其沉积在所述^_泡沫体材料的多个间断面的至少一些之 上或者之内。
在又一个实施方式中，公开复合泡沫体的生产方法。该方法包括提供 处理混合物的步骤，所述处理混合物包含第二材料以及实质上极性的溶剂， 其中所述第二材料保持第一极性的电荷。该方法进一步包括如下步骤将 包含孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料暴露于所述处理混合物；和向该碳泡沫体材料施加第二极性的电压电位，其中所述第二极性与所述第 一极 性相反。
在又一实施方式中，公开使复合泡沫体部件增强的方法。该方法包括
如下步骤提供包括第二材料和溶剂的处理混合物；和将包含孔网络和多 个间断面的碳泡沫体材料暴露于所述处理混合物，其中将所述碳泡沫体材 料暴露于所述处理混合物实现所述第二材料的至少 一些向所述碳泡沫体材 料的转移，使得所述第二材料以所述复合泡沫体的约0.5重量％或者更大且 少于25重量％的量选择性地沉积在所述多个间断面的至少一些之上或者之 内。


引入本说明书中并且构成本说明书 一部分的

本发明的实施方 式、并且与所述描述一起用来解释本发明的原理。在附图中
图1 -沈明根据本发明示例性实施方式的电池10;
图2A说明根据本发明示例性实施方式的集流体20;
图2B说明可任选地形成在集流体20上的接片(tab)21的更近的视图3提供示例性碳泡沫体在约IOOX放大倍数下的二维图像；
图4为描述与本发明的实施方式一致的用第二材料处理碳泡沫体的一 种示例性方法的流程图；和
图5为描述与本发明的实施方式一致的用第二材料处理碳泡沫体的另 一种示例性方法的流程图。
具体实施例方式
现在将详细参照本发明的示例性实施方式，其实施例在附图中说明。 只要可能，在整个附图中相同的附图标记用于指相同或者相似的部分。
图1说明根据本发明示例性实施方式的电池10。电池10包括外壳11 和可在外壳11之外的端子12。至少一个单元13设置在外壳11内。电池10 可以单个单元13运行，或者替换地，多个单元可串联或者并联连接以提供 电池10的所需总电势。
各单元13可由浸入电解质溶液中的交替的正极板和负极板或正极和负 极组成。可对电解质溶液组成进行选择以与具体的电池化学对应。例如，铅酸电池可包括酸性电解质溶液。任何合适的酸可用于提供铅酸电池的电 解质。在一个具体实施方式
中，石克酸可与水混合以提供电池10的电解质溶 液。或者，其它化学电池可包括其它电解质。例如，基于镍的电池可包括 包含与水混合的碱(例如，KOH)的石威性电解质溶液。
电池IO进一步包括至少一个导电部件，其包括例如集流体、汇流条以
及任何其它与本发明相符合的导电部件。在一个实施方式中，各单元13的
正极板和负极板可包括装填或者涂布有化学活性材料的导电集流体。所述
化学活性材料的组成可取决于电池10的化学。例如，铅酸电池可包括化学 活性材料，其包括例如铅的氧化物或者盐。此外，镍镉(NiCd)电池的阳极板 (即，正极板)可包括氢氧化镉(Cd(OH)2)材料；镍金属氢化物电池可包括镧镍 (LaNi5)材料；镍锌(NiZn)电池可包括氢氧化锌(Zn(OH)2)材料；和镍铁(NiFe) 电池可包括氢氧化铁(Fe(OH)2)材料。在所有基于镍的电池中，在阴极(即， 负极)板上的化学活性材料可为氢氧化镍。
图2A说明根据本发明示例性实施方式的集流体20。集流体20可包括 薄的、矩形主体和用于形成与集流体20的电连接的接片21。然而，在一些 实施方式中接片21可省略。
图2A中所示的集流体可用于形成正极板或者负极板。如前所述，在设 置在电池的集流体上的活性材料中的化学反应使得能够存储和释放能量。 该活性材料的而不是集流体材料的组成决定给定的集流体起正极板还是负 极板的作用。
虽然板(无论正极或者负极)的类型不取决于选择用于集流体20的材 料，但是集流体材料和结构可影响电池10的特性和性能。例如，在充电和 放电过程期间，各集流体20向和从电池端子12输送所得电流。为了有效 地向和从端子12输送电流，集流体20可由导电材料形成。此外，集流体 材料对腐蚀的敏感性可不仅影响电池10的性能，还可影响电池10的使用 寿命。除了选择用于集流体20的材料之外，集流体20的结构对于电池的 性能也可为重要的。例如，集流体20上的可用表面积的量可影响电池10 的比能量、比功率和充电/放电速率。
在本发明的示例性实施方式中，如图2A中所示的集流体20由碳泡沫 体材料形成，其可包括呈现一些程度的多孔性的碳或者基于碳的材料。在 某些实施方式中，所述碳可包括石墨泡沫体。由于所述泡沫体为碳，因此即使在暴露于电解质以及暴露于正极或负极板的电势时其也可耐腐蚀。此
外，由碳泡沫体组成的集流体可呈现超过2000倍的由常规集流体提供的表
面积的量。
所公开的泡沫体材料可包括任何包括支柱(struts)和孔的三维网络的基
或两者。
图2B说明可任选地形成在集流体20上的接片21的更近的视图。接片 21可涂布有导电材料和用于形成与集流体20的电连接。除了接片21之外， 还可使用用于建立与集流体20的电连接的其它合适的结构。用于涂布接片 21的导电材料可包括比碳泡沫体集流体更导电的金属。用导电材料涂布接 片21可提供接片21的结构支撑并且产生能够处理存在于铅酸和基于镍的 电池中的高电流的合适的电连接。
图3提供示例性碳泡沫体在约100x放大倍数下的二维图像。所述碳泡 沫体可包含孔41的网络。这些孔为各集流体20提供大量的表面积。所述 碳泡沫体可进一步包括间断面43。本文中所用的术语"间断面"应理解为 指在碳泡沫体材料的固体结构内的任何开口 、裂紋、台阶、裂隙、分离、 裂口、孔、或者穿孔。当目视或者在显微镜下观察时，间断面可为容易地 显见的或者基本上看不见的。此外，间断面的尺寸、形状和结构可变化。 例如，其中，间断面可包括泡沫体内的孔壁上的毛细裂紋或者石墨片之间 的裂口状缺口 。
在一个实施方式中，碳泡沫体可包括每厘米约4~约50个孔和至少约 200微米的平均孔径。然而，在其它实施方式中，平均孔径可较小。例如， 在某些实施方式中，平均孔径可为至少约40微米。在另外的其它实施方式 中，平均孔径可为至少约20微米。虽然降低碳泡沫体材料的平均孔径可具 有使材料的有效表面积增加的效果，然而低于20微米的平均孔径可阻碍或 者防止化学活性材料向碳泡沫体材料的孔中的渗透。
无论平均孔径如何，碳泡沫体的总孔隙率值可为至少60%。换而言之， 碳泡沫体结构的至少60%体积可包括在孔41内。碳泡沫体材料还可具有小 于60%的总孔隙率值。例如，在某些实施方式中，碳泡沫体可具有至少30 %的总孔隙率值。
而且，碳泡沫体可具有至少卯％的开孔率(open poorosity)值。因此，孔41的至少90%对邻近孔开放使得孔41的网络形成基本上开放的网络。 孔41的该开放网络可容许沉积在各集流体20上的活性材料渗入碳泡沫体 结构内。除了孔41的网络之外，碳泡沫体还包括为碳泡沫体提供支撑的结 构单元(structural element)42的网。总而言之，碳泡沫体中孔41和结构单元 42的网络可导致碳泡沫体材料的小于约0.6gm/cm3的密度。
由于本发明的碳泡沫体的导电性，集流体20可有效地向和从电池端子 12或者任何其他向电池10的电势提供通路的导电元件输送电流。在某些形 式中，未处理的碳泡沫体可提供小于约1Q-cm的薄片电阻率值。在另外的 其它形式中，未处理的碳泡沫体可具有小于约0.75Q-cm的薄片电阻率值。
在一个实施方式中，碳泡沫体可为用于形成集流体20的石墨泡沫体。 商品名为PocoFoamTM的一种这样的石墨泡沫体可从Poco Graphite, Inc获 得。石墨泡沫体的密度和孔结构可与碳泡沫体类似。石墨泡沫体和碳泡沫 体的主要差别是构成结构单元42的碳原子的取向。例如，在碳泡沫体中， 碳可为至少部分无定形的。然而，在石墨泡沫体中，较多的碳排列成石墨、 层状结构。由于石墨结构的有序性质，石墨泡沫体可提供比碳泡沫体高的 电导率。未处理的石墨泡沫体可呈现约100|^2-cm ~约2500pQ-cm的电阻率 值。在一些情况下，石墨泡沫体可接近最高达50000(iQ-cm的电阻率值。
还可通过使各种有机材料经受碳化和/或石墨化过程而获得本发明的碳 和石墨泡沫体。在一个示例性实施方式中，可使各种木材种类碳化和/或石 墨化以产生用于集流体20的碳泡沫体材料。木材含有天然产生的孔网络。 这些孔可伸长和线性取向。而且，由于它们的携水性质，木材中的孔形成 基本上开放的结构。某些木材种类可提供至少约90%的开孔率值。在不同 的木材种类中，木材的平均孔径可变化，但是在本发明的示例性实施方式 中，用于形成碳泡沫体材料的木材具有至少约20微米的平均孔径。
许多木材种类可用于形成本发明的碳泡沫体。作为普通种类，大多数 硬木具有适合用于本发明的碳泡沫体集流体中的孔结构。任选地，选择用 于产生碳泡沫体的木材可源自热带生长地区。例如，与在具有显著季节变
结构。结果，来自热带地区的木材的多孔网络可缺乏可由年轮的存在造成 的某些不均匀性。可用于产生碳泡沫体的示例性木材种类包括橡树、桃花 心木、柚木、山核桃木、榆树、黄樟、布宾加(bubinga)、棕榈、和许多其它类型的木材。
为了提供碳泡沫体，木材可经受碳化过程以产生碳化木材(例如，碳泡
沫体材料)。例如，将木材加热至约800°C ~约1400。C的温度可具有将挥发 性组分从木材排出的效果。木材可维持在该温度范围中足以将该木材的至 少 一部分转化为碳基体的时间。该碳化木材将包括木材的原始多孔结构。 然而，由于其碳基体，碳化木材可导电并且耐腐蚀。在碳化过程期间，木 材可以任何所需速率加热和冷却。然而，在一个实施方式中，木材可足够 緩慢地加热和冷却以最小化或者防止木材/碳化木材的龟裂。而且，木材的 加热可在惰性环境中发生。
碳化木材可用于形成集流体20而无需额外处理。然而，任选地，碳化 木材可经受石墨化过程以产生石墨化木材(例如，石墨泡沫体材料)。石墨化 木材是其中至少 一部分碳基体已经转化为石墨基体的碳化木材。如上所述， 与非石墨碳结构相比，石墨结构可呈现提高的电导率。使碳化木材石墨化 可通过如下实现将碳化木材加热至约2400°C ~约3000°C的温度足以使该
碳化木材的碳基体的至少 一部分转化为石墨基体的时间。碳化木材的加热 和冷却可以任何所需速率进行。然而，在一个实施方式中，碳化木材可足
够缓慢地加热和冷却以最小化或者防止龟裂。而且，碳化木材的加热可在 惰性环境中发生。
在整个碳泡沫体结构中，间断面43可具有可变的形状和尺寸并且在许 多区域和以随机间隔存在。间断面43可容许带电离子的嵌入并且其中还可 在碳泡沫体结构上产生用于化学侵蚀的多个反应部位。具体地，当暴露于 某些化学环境(例如，存在于铅酸电池中的那些)并且间断面43无任何处理 时，未处理的石墨泡沫体可经历带电离子经由间断面43的破坏性嵌入。例 如，当用活性材料涂布并且用作电池中的集流体时，未处理的石墨泡沫体 结构可经历很像楔子的力将层状石墨结构分开。集流体的带电性质吸引离 子并且4吏它们被更深地拉入到间断面43的内部，导致进一步破坏。
另外，间断面43的表面提供大量的反应性区域，从而反应性化学物可 起作用以破坏在下的碳结构。这样的力可造成导致间断面43增加的额外的 龟裂，从而导致额外的化学反应性部位并且在石墨情况下导致额外的嵌入。 最后，这些力可最终导致穿过泡沫体的导电通道的完全破坏，这可标志着 集流体的故障。为了使嵌入最小化、减少反应性区域、和/或向导电碳泡沫体加入额外 的结构增强，可进行用第二材料的处理，产生复合碳泡沫体。例如，第二 材料可沉积在碳泡沫体结构上，特别是沉积在间断面43上以及周围，以基
本上封闭或者限制与间断面43有关的开放区域。通过使第二材料集中在间 断面43上以及周围，间断面43可变成基本上被覆盖或者被密封，从而产
泡沫体的剩余表面区域(例如，包括具有^[艮少或者不具有间断面的区域)可保 持基本上未被所述第二材料覆盖。由于间断面43还可产生集中物理应力的 区域，因此在这样的区域中提供额外支撑还可具有使碳泡沫体的结构完整 性增强的有益效果。
在与本发明相符的一个实施方式中，用于处理碳泡沫体的第二材料可 包括非导电材料如聚合物和玻璃。例如，所述第二材料可包括聚合物如聚 乙烯基丙氨酸或者聚碳酸酯。然而，所述第二材料可包括任何合适的聚合 物如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、特氟隆、聚氨酯、聚酯、聚乙烯吡咯烷 酮、聚氯乙烯、或者本领域中已知的任何其它合适的热塑性或热固性材料。 在另一实施方式中，所述第二材料可包括例如磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、 或者其它类似的衍生材料。本领域技术人员应认识到，当保持在本发明的 范围内时，许多其它合适的材料也可用作第二材料。
在与本发明相符的一个实施例中，第二材料可以复合泡沫体的约0.5 重量o/。或者更大且小于25重量％的量沉积在碳泡沫体结构上。在这样的实 施方式中，并且使用参照图4和5更详细讨论的处理方法，所述第二材料 可集中在间断面43上。在间断面43可被基本上覆盖的同时，碳泡沫体的 结构单元42的和孔41的表面可保持基本上没有第二材料。在这样的实施 方式中，复合泡沫体的重量增加可最小化，当在铅酸电池内使用该泡沫体 时这可提供有利的能量与重量比。
图4为描述以第二材料处理碳泡沫体的示例性方法的流程图。为了将 第二材料施加到碳泡沫体结构上，可制备适合于将碳泡沫体暴露于所述第 二材料的处理混合物(步骤50)。本文中使用的术语"混合物，，可包括导致浆 料、溶液、乳液、悬浮液或者胶体制备的溶剂和第二材料(固体或者液体) 的任意组合。所得组合(混合物)可分布在多孔且不规则形状的结构的表面、 孔、以及间断面上。本文中使用的术语"溶剂，，意图指任何这种混合物的其中引入所述第二材料的部分。
在产生处理混合物之前，可进行第二材料的初始制备。例如，在其中 以固体形式(例如，块)获得所述第二材料的实施方式中，可最初进行所述材 料的一些机械破碎或者研磨以使所述第二材料处于粉末状或者颗粒状态。 本领域技术人员应认识到，可使用其它制备第二材料的方法而不偏离本发
明的范围。例如，在以片(sheet)得到第二材料时，可将所述片切割和/或研 磨成所需尺寸的^f卒片(piece)。
一旦已制备所述第二材料，则可将所述第二材料以混合物的约0.05重 量％ ~25重量％的量添加到溶剂中。在一个实施方式中，所述第二材料可 以混合物的约0.1重量％ ~0.5重量％的量添加到溶剂中。所得处理混合物 可搅动、搅拌，或者可基于所用材料和溶剂以及时间约束而独立地组合。 在一个实施方式中，所述溶剂可包括极性溶剂如水。极性溶剂的使用可造 成第二材料的颗粒通过与该极性溶剂的摩擦相互作用或者其它相互作用而
获得电荷。当为了吸引第二材料颗粒而施加意图在碳泡沫体材料上诱导相 反电荷的电压电势时，这可为有用的。在与本发明相符的其它实施方式中， 所述溶剂还可包括乙酸、氨、和曱醇。本领域技术人员应认识到，可使用 其它极性溶剂而不偏离本发明的范围。
通过将所述第二材料添加到极性溶剂中，所述第二材料的颗粒可在它 们的表面上产生电荷。由这些颗粒产生的电荷可导致第二材料的相似颗粒 彼此排斥。该电荷还可容许颗粒在混合物中保持"悬浮"。由第二材料的颗 粒产生的电荷可为正或负，并且可取决于所用的极性溶剂以及第二材料自 身。例如，当将包括聚碳酸酯、聚乙烯基丙氨酸和环氧树脂的材料与水组 合时，所述第二材料的颗粒可产生正电荷。或者，可向该处理混合物中添 加表面活性剂(例如，Darvon-C或者曱基丙烯酸曱酯)，这可导致由于表面活 性剂的存在，第二材料的相同的带正电的颗粒变成被负电荷所包围。其它 第二材料在不存在表面活性剂下与水组合时，其也可产生负电荷。例如， 当包含硅酸盐的第二材料颗粒与水组合时可产生负电荷。
一旦已制备所述处理混合物，则可将碳泡沫体结构暴露于所述处理混 合物(步骤52)。在一个实施方式中，暴露于所述处理混合物可包括将所述碳 泡沫体结构浸渍在所述混合物中使得包括孔41、结构单元42和间断面43 的整个结构可暴露于所述处理混合物。在这样的实施方式中，可容许所述处理混合物充分渗透存在于所述碳泡沫体结构上的孔41和间断面43 。或者，
所述碳泡沫体结构可不完全地浸渍，而是可浸在所述处理混合物中同时使 所述碳泡沫体结构的至少 一部分保持高于所述混合物的液面。本领域技术 人员应认识到，可使用将碳泡沫体结构暴露于处理混合物的许多其它方法。 例如，处理混合物可喷涂、滴涂、摆涂、涂抹、静电涂布等。
当碳泡沫体结构暴露于处理混合物时，可将具有与由所述处理混合物 中的第二材料的颗粒获得的表面电荷相反极性的电压电势施加到所述碳泡
沫体结构(步骤54)。响应所施加的电压，存在于所述泡沫体内的间断面43 的边缘可呈现比周围泡沫体结构高的电流密度。这是因为间断面由于断开 的导电通道而导致电流在其边缘周围流动，所述导电通道通常在不存在间
断面的情况下存在。这种流动造成沿间断面边缘的电流集中和在远离间断 面的其它区域处的电流密度的减小。间断面周围的这种电流集中可导致使 实质上较高数目的带电的第二材料颗粒吸引和沉积在间断面43上，相对较 少的颗粒沉积在碳泡沫体结构的结构单元42的剩余表面上。
与本发明的实施方式相符的非导电第二材料的施加可为自限制的。即， 所述第二材料在间断面43和碳泡沫体结构上的沉积可使相关的电流密度降 低，从而使所述碳泡沫体结构和第二材料的带电颗粒之间的吸引力减小。 此外，由于第二材料的颗粒被拉出处理混合物之外，因此所述处理混合物 内的较少颗粒可用于沉积。沉积在碳泡沫体结构上的第二材料的量可与以 下有关所施加电压的持续时间、所施加电压的大小、处理混合物中第二 材料的量、处理混合物的迁移性质、间断面43的数目和密度、和碳泡沫体 结构的表面积。在某些实施方式中，可向泡沫体施加小于约5V(并且优选为 50mV 约1.4V)的电压以使第二材料基本上在间断面43之上以及周围沉 积。电压施加的持续时间可根据泡沫体的表面积以及所需的覆盖度而变化。 当需要用第二材料额外覆盖特定的碳泡沫体结构时，电压可施加较长的持 续时间和/或可向处理混合物添加额外的第二材料。相反，当需要较低的覆 盖度时，可使用较短持续时间的施加电压和/或在处理混合物中使用较少的 第二材料。
一旦已在碳泡沫体结构上沉积所需量的第二材料，则可将所述结构从 所述处理混合物移出并且固化(步骤56)。固化的需求可取决于所选择的具体 的第二材料。例如，基于环氧的第二材料或者热固性聚合物可需要固化，而其它第二材料可需要最低限度的固化或者不需要固化。本文中使用的术 语"固化"意欲涵盖任何其中第二材料进行导致所述材料的最终状态和/或 形状与在沉积之后但在处理之前存在的材料状态和/或形状不同的处理(物 理、化学、或者其组合)的工艺。
固化可包括应用于碳泡沫体结构和第二材料的热处理。例如，在已选 择热塑性聚合物作为第二材料时，热处理可包括将碳泡沫体结构(和所沉积
的第二材料)加热至约90°C ~约30(TC并且保持在该温度下约1 ~ 10分钟。 所述热塑性聚合物在加热时可软化、炫化、或者液化，从而容许聚合物流 进碳泡沫体中的间断面43内和在所述间断面43周围流动。在冷却聚合物 时，其可硬化为不同形状(由于流动或者其它因素)并且可粘附到在下的碳泡 沫体结构上，导致具有基本上被覆盖的间断面和额外的结构支撑的复合碳 泡沫体结构。在另一实施方式中，可选择玻璃作为第二材料。当已选择玻 璃作为第二材料时，热处理可包括将碳泡沫体结构(和所沉积的第二材料) 加热至约180°C ~约800。C并且保持在该温度下约2~6小时。本领域普通 技术人员应认识到，固化温度和持续时间可基本上取决于所用的第二材料。
固化还可包括将碳泡沫体结构和第二材料暴露于反应物。例如，沉积 在碳泡沫体上的基于环氧的第二材料可暴露于用于实现所述环氧的硬化的 物质。这种暴露可导致所述环氧进行化学反应和硬化，从而基本上覆盖间 断面43并粘附到其上。暴露于反应物可通过许多方法进行，例如将反应物 喷射或者涂抹到碳泡沫体结构和第二材料上。
图5为描述用第二材料处理碳泡沫体的另一示例性方法的流程图。在 用第二材料处理碳泡沫体结构之前，可制备适合于将所述碳泡沫体暴露于 所述第二材料的处理混合物(步骤60)。
在产生处理混合物之前，可进行第二材料的初始制备。例如，在其中 以固体形式(例如，块)获得所述第二材料的实施方式中，可最初进行所述材 料的一些机械破碎或者研磨以使所述第二材料处于粉末状或者颗粒状态。 本领域技术人员应认识到，可使用其它制备第二材料的方法而不偏离本发 明的范围。例如，在以片获得第二材料的情况下，可将所述片切割和/或研 磨成所需尺寸的碎片。
在第二材料的制备之后，可将所得混合物的约1重量％ ~ 10重量％的 量的制备的第二材料添加到基本上非极性的溶剂中以形成处理混合物。在一个实施方式中，可将所制备的第二材料以所得混合物的约4重量％ ~ 6重 量％的量添加到溶剂中。基本上非极性的溶剂的实例可包括二曱苯、二氯 曱烷、苯、酮、和丙酮。本领域技术人员应认识到，可使用许多其它的基 本上非极性的溶剂而不偏离本发明的范围。 一旦已将第二材料添加到所述 非极性溶剂中，则根据需要该混合物可搅动或者可不搅动以产生制备的处 理混合物。
在所述处理混合物的制备之后，可将碳泡沫体结构暴露于所述混合物
(步骤62)。暴露于所述混合物可包括在所述混合物中"洗涤-涂布"或者浸
渍碳泡沫体结构使得整个结构暴露于所述混合物，然后将所述碳泡沫体结 构从所述混合物移出。在这样的实施方式中，可容许所述处理混合物实质
上渗透存在于所述碳泡沫体结构上的孔41和间断面43。或者，所述碳泡沫 体结构可部分地浸渍在所述混合物中，使得所述结构的一部分保持高于所 述混合物的液面。本领域技术人员应认识到，可使用将碳泡沫体结构暴露 于处理混合物的其它方法。例如，处理混合物可喷涂、滴涂、摆涂、涂抹等。
在暴露于所述混合物期间，与存在于所述碳泡沫体结构上的间断面有 关的毛细作用可导致较大量的混合物(和第二材料)被吸引得靠近和进入间 断面43内。该毛细作用可促进间断面43的覆盖，同时使结构单元42的周 围表面的覆盖最小化。此外，可通过改变暴露于所述处理混合物的时间而 控制沉积在碳泡沫体和其中的间断面上的第二材料的量。例如，碳泡沫体 结构暴露于含有约5重量％的量的第二材料的混合物，根据暴露的持续时 间可导致以所得复合泡沫体的重量计的约0.5~25%的第二材料的沉积。较 长的暴露可产生较大量的沉积在碳泡沫体上的第二材料，而较短的暴露持 续时间可导致较小量。
一旦已将所述碳泡沫体结构从所述混合物移出，则可除去(例如，蒸发) 残留溶剂，从而使所得第二材料留在复合碳泡沫体上(步骤64)。在与本发明 相符的一个实施方式中，可通过将所述复合碳泡沫体置于真空中或者通过 向所述结构施加热量而提高溶剂的挥发性，从而使蒸发增强。加热所述复 合碳泡沫体还可进行固化第二过程(需要时)。或者，可容许溶剂以基于该溶 剂的标准环境挥发性的速率蒸发。例如，二曱苯(高挥发性溶剂)可用作处理 混合物的溶剂并且可容许其在处理之后在标准环境条件下蒸发。较低挥发性的溶剂可需要额外措施以促进从复合碳泡沫体的除去。此外，为了将溶剂从所述复合碳泡沫体除去，可使用包括例如化学反应或者机械方法的其它方法。
在溶剂除去之后，需要时，可使所述第二材料固化。固化可包括应用于碳泡沫体结构和第二材料的热处理。例如，在已选择热塑性聚合物作为第二材料时，热处理可包括将所述碳泡沫体结构(和所沉积的第二材料)加热
至约90°C ~约300。C并且保持在该温度下约1 ~ 10分钟。所述热塑性聚合物当加热时可软化、熔化或者液化，从而容许聚合物流进碳泡沫体中的间断面43内或者在所述间断面43的周围流动。在冷却聚合物时，其可硬化为不同形状(由于流动或者其它因素)并且可粘附到在下的碳泡沫体结构上，导致具有基本上被覆盖的间断面和额外的结构支撑的复合碳泡沫体结构。在另一实施方式中，可选择玻璃作为第二材料。当已选择玻璃作为第二材料时，热处理可包括将碳泡沫体结构(和所沉积的第二材料)加热至约180。C ~约800。C并且保持在该温度下约2~6小时。本领域普通技术人员应认识到，固化温度和持续时间可基本上取决于所用的第二材料。
固化还可包括将碳泡沫体结构和第二材料暴露于反应物。例如，沉积在碳泡沫体上的基于环氧的第二材料可暴露于用于实现所述环氧的硬化的物质。这种暴露可导致所述环氧进行化学反应和硬化，从而基本上覆盖间断面43并粘附到其上。暴露于反应物可通过许多方法进行，例如将反应物喷射或者涂抹到碳泡沫体结构和第二材料上。
的范围和精神。
说明书和实施例仅意图被视为示例性的，并且本发明的真实范围和精神由所附权利要求所表明。
权利要求
1.复合泡沫体，包括包含孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料；和第二材料，其以所述复合泡沫体的约0.5重量％或更大～少于25重量％的量选择性地沉积在所述碳泡沫体材料的多个间断面的至少一些之上或者之内。
2. 权利要求1的复合泡沫体，其中所述碳泡沫体材料包括石墨泡沫体。
3. 权利要求l的复合泡沫体，其中所述第二材料包括聚合物。
4. 权利要求3的复合泡沫体，其中所述第二材料包括热塑性聚合物。
5. 权利要求3的复合泡沫体，其中所述聚合物包括聚乙烯基丙氨酸、 聚苯乙烯、和聚碳酸酯中的至少一种。
6. 权利要求l的复合泡沫体，其中所述第二材料包括玻璃。
7. 权利要求6的复合泡沫体，其中所述第二材料包括磷酸盐玻璃和硅 酸盐玻璃中的至少一种。
8. 权利要求l的复合泡沫体，其中限定所述孔网络的结构单元的至少 一些表面基本上没有第二材料。
9. 权利要求1的复合泡沫体，其中所述复合泡沫体具有不大于 50000(iQ-cm的电阻率值。
10. 权利要求l的复合泡沫体，其中所述复合泡沫体包括木材。
11. 导电的复合泡沫体，包括包含孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料，其中所述碳泡沫体具有不 大于50000^iQ-cm的电阻率值；和选择性地沉积在所述碳泡沫体材料的多个间断面的至少一些之上或者之内的第二材料。
12. 权利要求11的导电的复合泡沫体，其中所述碳泡沫体材料包括石 墨泡沫体。
13. 权利要求11的导电的复合泡沫体，其中所述第二材料包括聚合物。
14. 权利要求13的导电的复合泡沫体，其中所述第二材料包括热塑性 聚合物。
15. 权利要求13的导电的复合泡沫体，其中所述聚合物包括聚乙烯基丙氨酸、聚苯乙烯、和聚碳酸酯中的至少一种。
16. 权利要求11的导电的复合泡沫体，其中所述第二材料包括玻璃。
17. 权利要求16的导电的复合泡沫体，其中所述第二材料包括磷酸盐 玻璃和硅酸盐玻璃中的至少一种。
18. 权利要求11的导电的复合泡沫体，其中限定所述孔网络的结构单 元的至少一些表面基本上没有第二材料。
19. 铅酸电池，包括 外壳；设置在所述外壳内的至少一个单元； 电解质；和至少一个包括复合泡沫体材料的导电部件，所述复合泡沫体材料包括 包含孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料；和 沉积在所述碳泡沫体材料的多个间断面的至少 一 些之上的第二材料。
20. 权利要求19的铅酸电池，其中所述至少一个导电部件包括集流体。
21. 权利要求20的铅酸电池，进一步包括化学活性糊，所述化学活性 糊设置在所述复合泡沫体材料之上使得所述化学活性糊渗透所述碳泡沫体 材料的孔的至少一些。
22. 权利要求19的铅酸电池，其中所述电解质包括酸性溶液。
23. 权利要求22的铅酸电池，其中所述酸性溶液包括硫酸。
24. 权利要求19的铅酸电池，其中所速碳泡沫体材料包括石墨泡沫体。
25. 权利要求19的铅酸电池，其中所述第二材料以所述复合泡沫体材 料的约0.5重量％ ~少于25重量％的量沉积在所述复合泡沫体材料上。
26. 权利要求19的铅酸电池，其中所述复合泡沫体材料的电阻率不大 于50000|aQ-cm。
27. 生产复合泡沫体的方法，所述方法包括提供处理混合物，所述处理混合物包括第二材料和基本上极性的溶剂，其中所述第二材料保持第 一极性的电荷；将包含孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料暴露于所述处理混合物； 向所述碳泡沫体材料施加第二极性的电压电势，其中所述第二极性与所述第一极性相反。
28. 权利要求27的方法，其中所述碳泡沫体材料包括石墨泡沫体。
29. 权利要求27的方法，其中所述基本上极性的溶剂包括水、氨、曱 醇、和乙酸中的至少一种。
30. 权利要求27的方法，其中所述第一极性为正。
31. 权利要求27的方法，其中所述第一极性为负。
32. 权利要求27的方法，其中所述第二材料包括聚合物。
33. 权利要求27的方法，进一步包括 在施加所述第二电荷之后，固化所述第二材料。
34. 权利要求32的方法，其中固化所述第二材料包括将所述材料加热 至预定温度。
35. 权利要求32的方法，其中固化所述第二材料包括将所述第二材料 暴露于反应物。
36. 权利要求35的方法，其中配置所述反应物以在所述第二材料和所 述反应物之间实现化学反应。
37. 权利要求27的方法，其中所述聚合物包括聚乙烯基丙氨酸、聚苯 乙烯、和聚碳酸酯中的至少一种。
38. 权利要求27的方法，其中所述第二材料包括磷酸盐玻璃和硅酸盐 玻璃中的至少一种。
39. 使复合泡沫体部件增强的方法，所述方法包括 提供包括第二材料和溶剂的处理混合物；he将包含孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料暴露于所述处理混合物， 其中将所述碳泡沫体材料暴露于所述处理混合物实现所述第二材料的至少 一些向所述碳泡沫体材料的转移，使得所述第二材料以所述复合泡沫体的 约0.5重量％或者更大且少于25重量％的量选择性地沉积在所述多个间断 面的至少一些之上或者之内。
40. 权利要求39的方法，其中所述溶剂包括基本上非极性的物质。
41. 权利要求39的方法，其中所述溶剂包括二曱苯和二氯曱烷中的至 少一种。
42. 权利要求39的方法，其中所述碳泡沫体材料包括石墨泡沫体。
43. 权利要求39的方法，其中所述第二材料包括聚合物。
44. 权利要求43的方法，其中所述聚合物包括聚乙烯基丙氨酸、聚苯乙晞、和聚碳酸酯中的至少一种。
45.权利要求39的方法，其中所述第二材料包括磷酸盐玻璃和硅酸盐 玻璃中的至少一种。
全文摘要
复合泡沫体包括包含孔网络和多个间断面的碳泡沫体材料；和沉积在所述碳泡沫体材料的多个间断面的至少一些之上的第二材料。
文档编号C08J9/00GK101528823SQ200680056163
公开日2009年9月9日 申请日期2006年8月18日 优先权日2006年8月18日
发明者博里斯·I·莫纳霍夫, 尼古拉斯·布拉齐斯, 柯蒂斯·C·凯利, 马修·J·马鲁恩 申请人:萤火虫能源公司