专利名称：可充电的电化学单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于特殊编织纤维形式的超轻、超强传导和绝缘材料的蓄电池、燃料电池和电解装置的柔性结构。这种结构能承受高达50000g加速度的非常重的过载(特征重量)。因而可增加这种蓄电池的动力使用。设在单片电路中的绝缘及电池材料也是如此。这种结构能够承受高达55000g的加速度，也即包括炮弹壳等的已知产品。铅酸蓄电池电极之间距离的大幅度减少(10-50倍)，可导致蓄电池中内部阻抗(蓄电池内阻的主要部分)下降，进而形成一种具有高的电效率的元件。所使用的活性材料可以实现深度充放电循环，是半刚性电极的两倍，还可实现蓄电池多路循环工作的能力。特殊的电极材料层允许使用适于多周期电池的带有树枝状结晶问题的电极对材料。本发明也适合于视重量和成本为重要因素的铅酸或银锌蓄电池、燃料电池和电解装置。
这些金属也具有大的活性表面面积。在特定电极(例如孔隙电极、浆体或粉末电极)中具有表面面积是有好处的，并且，有催化板或无催化板均可使用。
有些电极对，例如锌-银电极对，也有树枝状结晶问题。结果，树枝状结晶引起的短路限制了可充电电池在有效期内的循环次数。
本发明的目的是使蓄电池、燃料电池和电解装置电极的重量减少、强度增强。美国专利4894355中描述了一种使用碳纸的结构，该专利建议通过切割由碳纸/聚四氟乙烯组分组成的纤维来减少活性表面积。在此情形下，结构的主要负载采用了碳载体材料-纸，而导电性参数确定了电极的厚度和跨度。
按照本发明，电池单元包含外部或内部的柔性封装或扁平层，在该扁平层中，有一个扁平的电传导的柔性导线或纤维栅格嵌在活性材料粒状或粉末粒子的母板内。还提出了另一封装，它包含电传导的导线或纤维栅格，其中定位设有互补的活性金属或化合物的粒子或颗粒。封装间用可渗透适当电解液离子的绝缘膜分隔。从每个电池单元还引出有导线。还设有柔性机械弹簧或电解液膨胀元件，用于提供消解由单元中化学反应产生的电极容积的变化所需的压力。
可将活性材料设置在膜腔内或膜层之间。活性材料颗粒可以通过焊接盖体定位成分离的单位。
本发明提供了用于将压力施加到组装单元外表面的装置，以保证粒状或粉末颗粒之间以及颗粒与电极之间在充放电的时能紧密接触。即使在反应期间活性材料的体积有明显变化，这种接触也能保持不变。
可使用各种金属或化合物对，例如银-锌(Ag/Zn)、铅-氧化铅(Pb/PbO)等。
电极可制作成被卷为螺旋结构形式的长度带。在这种结构中，其优点是提供了将压力施加于电极外部表面的弹簧或类弹簧装置以及将电池单元制作成圆柱体形式。
弹簧或类弹簧元件可以是包含在电池中或与膨胀分隔器关联的全分离元件。还可以将可电池单元的弹性壁用作弹簧元件。分离弹簧元件最适用于单元壁高度有限的扁平电池。当电池为正方体或至少为矩形时，其电池侧壁最适于用作弹簧元件。弹性的外圆柱容器可用作螺旋电极电池的弹簧元件。
活性材料的粉末或粒子最好在5-10微米范围，虽然其他尺寸也可用。
所述栅格板可用扩展金属制造，例如用银(对于Ag-Zn元件)。对相应的阴极或阳极活性材料，用扩展的金属箔制作。导电纤维厚度一般为10μ-500μ，最好为100μ。该纤维可以用碳纤维编织。导电材料可涂覆适合的金属，确切的金属取决于电池工作的环境。
对多单元情况，导电线可与非导电纤维组合使用。在这种导电纤维中，可以使用与凯芙拉、尼龙、聚酯等纤维交织的多个并行碳纤维。该配置可以是每个碳纤维构成一个电极的配置。显然，碳纤维必须被连接，并提供用于输出电流的导线。
基于同样概念的本发明的变形包括燃料电池，其中，每个膜腔包含最好附着于适当支撑件上的催化粒子。催化剂可以是涂覆有例如Ni、Pt或Cd的活性材料的陶瓷颗粒。合适的酸可用作燃料电池的催化剂，使氧和氢反应形成水并产生电流。为便于电流提取，设置有适当的电极连接。在燃料电池的情形下，无须对电池施加外部压力。催化剂可直接敷涂在增加有效表面面积的碳纤维上。
由于电化学单元的薄元件，改善了重量对功率输出的比率。由于电池单元的主要元件是导电纤维、粒状活性材料以及电解液，单元可承受极大的加速和减速而不会对电池性能有不利影响。
采用螺旋结构时，能够生产出高能、高速的可充电电池。
按照本发明，电极、连接元件及单元壁由高强度的导电或绝缘纤维、催化剂和平板或纤维或类似形式的活性材料制造而成。碳纤维可用作电极的导体部分，而尼龙、聚酯、凯芙拉(Kevlar)或玻璃纤维可以用作电极的绝缘部分。绝缘材料的确定取决于所选的电解液。
根据电化学原理可使用不同的结构。设计各部件以获得稳定的电接触，形成纤维形式的活性材料的导电性。同样，在活性材料和电流输入输出元件之间应有良好的接触。
合适的结构可包括
1、电极、绝缘元件、弹簧和外部壳体采用单独部件制成并组装到单个单元中。
2、电极和绝缘元件在一个单元中。按照导电性与绝缘性组合，或导电性、绝缘和活性材料的组合需要，编织成一个纤维件。
用第一种结构可实现不同电解质原理的蓄电池结构。
某些参数的确定建议采用如下设计规格10μ的纤维厚度，0.55的编织厚度，每平方厘米电极几何面积有31.5平方厘米的电极特殊面积。这就无须任何特殊表面处理来增加微表面。
在此情形下，每单位重量的有效面积为1875cm2/g，大约比固体表面大1100倍。
附加的规格说明包括每跨度距离的横断面0.0157cm2/cm，电阻率0.4-0.5欧姆*毫米2，对168g/m2的纤维密度许可应力为50kg/mm2，即最大损坏长度30km。作为比较，铅有0.122km，锌有0.63km，铜有2.263km。因此，对同样长度的电极，涂层石墨纤维电极能够承担比铜电极大15倍、比铅电极大300倍的加速。
图3是螺旋形电极对的断面结构视图；图4是单元件平行或串行连接示意图；图5是特定纤维的多单元单件结构示意图；图6是由一个特定纤维件制作出多电极和多单元的示意图。
电极导电件1(阴极或阳极)是碳纤维编织材料。在此情形下，该纤维无须特殊处理以增加其微表面。
电极外壳6有一个插在电绝缘包5中的扁平的导电纤维件1，其中，在导电纤维件1两个面上填充有锌、铅、或氧化银浆体2。
电极包6和两层浆体2被弹簧压紧在一起，进口在由电解液可浸透的代表蓄能元件的绝缘纤维制成的分离绝缘腔内。
现参考图2，图2是纤维单元层断面结构视图。电极导体1(阴极或阳极)用碳纤维编织而成。同时，该纤维也无须特殊处理增加其表面积。
电极导体1用锌、铅、或氧化银浆体2制成。
电极包1可设置有网格或斜列式接缝7以防止浆料粉凝结成单块。这有助于确保浆料粉合适地分布在电极表面上。该电极包和两个进口在由电解液可浸透的绝缘纤维制成的分离的绝缘腔3内。
该绝缘腔可改变和划分为纤维件，所述纤维件可被缝纫在一对电极的边侧以形成电极包。其中的缝纫线可由绝缘材料制成。
一对这样的绝缘电极(阴极和阳极)有一个差别浆体的稠度。在蓄能器结构中，电极对和电极对组可用不同形式的弹簧件8加压固定。这节省了浆体和导电纤维之间以及分离的浆体原子核之间的电接触所需的压力(大约0.5kg/cm2)。但是，该压力供应要求结构上的整体性。
电极偶设在公共壳4上，并构成单一单元。壳4可以用例如聚乙烯、聚丙稀、聚氨基甲聚酯或PVC的柔性或刚性塑料制成。该材料可用玻璃、聚酯、凯芙拉等纤维进行增强。可利用热焊接5实现将所有元件连接成单一单元。自由电极端6可用于单元的电子连接。
电极的形状和在电池单元中的位置是可变的。在各种变形中，可以用于定位调整的平板电极或同轴结构的圆形电极。电解液可固定存储在壳4内或通过特定焊管定期添加。
图3是螺旋结构电极的断面视图。将一对如
图1或2所示形式的柔性电极1和2卷成螺旋体并插在弹性套管3内，后者用作弹性元件以保证适当的接触压力(0.2kg/cm2)。带弹簧的卷起的螺旋体被插在外部壳体4内。在有些实施例中，膨胀分隔器和外壳也可用于弹簧件。
图4示出单元1、2之间与串行或并行连接的单元的连接3。用于连接的有些电极包是由单件导电纤维制成的。在此情形下，所有传统的连接部件被去除了，减少了蓄能器的重量和复杂性，增加了可靠性。
图5示出单件的多电极结构，该多电极结构由带有调整绝缘纤维或纤维组导电性和绝缘性的特殊纤维组合组成，该组合可用作电极绝缘或连接元件。这种调整对横向和纵向、对不同蓄能器结构或由于编织问题可以是不同的。
单件多电极结构包括由导电纤维制成的电极1的导电部分和由绝缘纤维制成的绝缘部分2。纤维的导电部分可结合能够连接电极部分的横向导电线带使用。
为使电极部件与连接带之间连接更好，该连接可先置平再焊接。
导电部分的调整并不确定哪种电极(阴极或阳极)可连接，以及使用串联或并联哪种连接类型。
这些参数可按照普通电池设计那样选择，其中，一个单件多电极纤维是适合不同结构和电子配置的蓄能器、液体单元或电解槽的公用元件。
可以在纤维的一面上涂覆PVC、聚乙烯、聚丙稀、聚氨基甲聚酯以便与其它结构层、外部壳构架焊接。在此情形下，必须先对导电纤维处理以便能够粘接涂覆材料。
图6示出一种可用多电极实现的单件纤维的结构。这种结构是带有串行连接各个单元的浆体电极蓄能器的一个实例。该结构由被电解液可浸透纤维分隔的两个单件的多电极单元1组成，该分隔纤维可与电极结构件分开缝纫或焊接。
焊接缝位置的形式可提供具有在使用流体电解液系统的入口和出口通道和外部空间的可浸透性的分开的单元构造的绝缘。
实例实例#1电池外形 扁平电池活性材料 银-锌电池单元数 2电池电压3伏电池容量5Ah电池外壳厚度5.4mm电池外壳面积18.5cm2电极颗粒直径0.005-0.01mm银电极厚度 0.8mm锌电极厚度 0.92mm银重量 19.45g锌重量 11.78g活性材料总重量 31.23g导电材料总重量 1.90g绝缘材料总重量 1.64g电解液KOH总重量 21.4g附件重量37.1g电池总重量 88.77g实例#2电池外形扁平电池活性材料银-锌每个电池的单元数16电池电压24伏电池容量 100Ah电池外壳厚度 200mm电池外壳面积 200cm2电极颗粒直径 0.005-0.01mm银电极厚度0.8mm锌电极厚度0.92mm银重量3169g氧化锌重量2023g活性材料总重量5192g导电材料总重量93.5g绝缘材料总重量215g电解液KOH总重量 2545g附件重量 765g电池总重量8810g实例#3电池外形 扁平电池活性材料 铅电池单元数6电池电压 12伏电池容量 60Ah电池外壳厚度 150mm电池外壳面积120cm2电极颗粒直径0.005-0.01mm阳极厚度0.8mm阴极厚度0.92mm铅重量 6300g氧化锌重量 7100g活性材料总重量 13400g导电材料总重量 421g绝缘材料总重量 85g电解液、酸的重量1110g附件重量521g电池总重量 15452g实例#4电池外形螺旋电池活性材料银-锌电池单元数 1电池电压1.5-1.8伏电池容量15Ah电池螺旋直径30mm电池螺旋高度27mm电极颗粒直径0.01mm银电极厚度0.8mm锌电极厚度0.92mm银重量45.32g锌重量11.78g活性材料总重量57.1g导电材料总重量1.90g绝缘材料总重量1.64g电解液KOH总重量 28.9g附件重量 19.5g电池总重量109.04g
权利要求
1.一种可充电的电化学电池单元，包含封闭外壳，其中设置有差别仅在于活性材料的两个或多个单元，每个这样的单元包含离子传导绝缘材料(膜)的扁平柔性包，包内有扁平导电的柔性电极框、在电极框两侧的活性材料粉末及电解液，其中，每个电极与引向外部的电流摄取导体连接，还设置有维持颗粒之间、颗粒与柔性电极框之间的压力以达到所需电接触的装置。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，可减少树枝状结晶危险的第一种形式的柔性导电封装，包括粉末或颗粒形式的活性材料的柔性导电支撑件；第二电极也可以是柔性导电封装的形式，该封装包含其上有电化学性互补的活性材料层的导电支撑件、定位在两个封装之间的柔性离子传导膜层，以及用于在电极分隔膜层或膜/反向电极的组件施加压力以保持其彼此紧密接触的装置，所述组件沉浸在适当的电解液中，由各个封装设置电极连接。
3.根据权利要求1或2所述的电池单元，其特征在于，所述电极纤维是机织织物，经编织的活性材料是柔性的主要为碳纤维或其它活性材料纤维的导电纤维。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述活性材料对是以下三组中的一种Ni/Cd，Ag/Zn，Pb/PbO。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述支撑件为包含一串相邻的平行的导电和绝缘条的柔性纤维。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的电池单元，其特征在于，每个电极的厚度在1-10mm之间。
7.根据权利要求1-6中任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述活性材料的粒子为尺寸在1-10微米间的颗粒，0.5-3mm厚的带或不带适合基体的层。
8.根据权利要求1-7中任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述编织的厚度在10与100微米之间。
9.根据权利要求1-8中任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述电池为缠绕的螺旋状结构，带有施压于组件的外部或内部弹簧。
10.根据权利要求1-9任何一项所述的电池单元，其特征在于，具有包含高强度、多孔隙、微米气孔尺寸的纤维分隔器的高机械强度。
11.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，所述电池是一种燃料电池，其中，催化的活性材料由陶瓷基板支撑，所述反应是氧和氢之间产生水和能量的反应。
12.根据权利要求11所述的电池单元，其特征在于，催化剂被镀在大表面区域的导电编织物上。
13.根据权利要求1-12任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述电极包含并行的碳纤维和活性材料纤维，例如碳或银。
14.根据权利要求1-13任何一项所述的电池单元，其特征在于，放电位置的活性料预先用中等压力冲压以便在批量条件下取得50-60％稠度的阴极和30-50％稠度的阳极，在所述电池被完全组装时，所述活性材料受压于柔性的低压。
15.根据权利要求14所述的电池单元，其特征在于，所述预先使用的压力为100-200kg/cm2，所述低压大约为0.2-0.5kg/cm2。
16.根据权利要求1-15中任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述电极柔性导电支持(基板)或定位在大块活性材料中的分隔器采用柔性的细栅格材料制成，其中，所述栅格材料是扩张金属型材料。
17.根据权利要求16所述的电池单元，其特征在于，对阳极适合的栅格材料为镉、锌、锡或铟，对阴极适合的栅格材料为镍或银。
18.根据权利要求1-17任何一项所述的电池单元，其特征在于，位于活性材料的电极柔性导电支撑件为编织石墨纤维制成，所述纤维涂覆有金属以便抑制气体逸出。
19.根据权利要求18所述的电池单元，其特征在于，用于抑制气体逸出的金属涂层的厚度为5-15微米。
20.根据权利要求18所述的电池单元，其特征在于，所述电池单元是银-锌可充电电池单元，用于阴极的所述涂覆金属为镍或银，用于阳极的所述涂覆金属为锡、铟、镉、铅或锌。
21.根据权利要求18所述的电池单元，其特征在于，所述涂层由两个层组成，95-99％固态的固体保护层和30-60％孔隙率的第二层。
22.根据权利要求1-21任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述用于施加压力的装置是电池的外部容器，所述容器有维持适当压力所需要的弹性以确保所组装电池内的电接触。
23.根据权利要求1-22任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述电池单元为螺旋型电池单元，所述用于施加压力的装置用中心柔软杆或分隔层实现。
24.根据权利要求1-23中任何一项所述的电池单元，其特征在于，所述分隔器由三层组成，第一层用于将机械强度加到分隔器以及提供对氧化银渗透的第一级保护，该第一层用尼龙、聚丙烯或聚乙烯处理编织纤维制成，第二层用于防止晶须和银的渗透，采用可增大电解液体积、以产生恒定压力和电极与活性材料之间的电连接的纤维素材料制成，第三层由离子分离的聚乙烯-聚丙烯薄膜制成，以封闭包的形式实现。
25.根据权利要求1-24中任何一项所述的电池单元，其特征在于，有一个电极具有半刚性稠度，所述半刚性稠度具有30-50％孔隙率，所述电极通过烧结、冲压或其它方法生产。
26.根据权利要求25所述的电池单元，其特征在于，所述单元是辅助银-锌电池单元，所述电极为银电极。
全文摘要
一种电化学电池单元,包含一个或多个电极对(6)。其中第一电极包含柔性的电绝缘和离子传导的包含有柔性传导基板(1)的封装(5)。所述柔性导体(1)可由插入粒状或粉状的活性材料(2)中的编织或栅格形导电材料制成。第二电极也是柔性的包含有插入在电化学性互补的活性材料内的导电体(1)的电绝缘封装(5)。该单元还包括将压力加到电极、隔膜分隔器和反向电极的装配组件上的装置(4),以使电极活性材料的每个颗粒、分隔器和导体(基板)之间保持恒定的接触。两个电极中的一个或两个可通过烧结、冲压、粘接或结晶浆体的形式产生。
文档编号H01M4/86GK1373909SQ00812677
公开日2002年10月9日 申请日期2000年9月4日 优先权日1999年9月9日
发明者利雷特金·瓦拉迪米 申请人:尤尼百特有限公司