含有纤维质材料的电池的制作方法

专利名称：含有纤维质材料的电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有纤维质材料的电池，例如铅酸蓄电池，及其制造和使用方法。
背景技术：
电池通常用作能量来源。电池通常包括负极(阳极)和正极(阴极)。阴极和阳极通常置于电解液中。在电池放电的过程中，可以发生氧化阳极活性材料并还原阴极活性材料的化学反应。在反应过程中，电子从阳极流向阴极，电解液中的离子在阳极和阴极之间流动。某些电池可以通过进行相反的化学反应再充电。
一类电池是铅酸蓄电池。在铅酸蓄电池中，铅通常为阳极活性材料，二氧化铅通常为阴极活性材料。通常，铅酸蓄电池也含有硫酸，硫酸作为电解质并参与化学反应。铅酸蓄电池反应的典型的放电反应是阳极阴极总反应发明概述本发明涉及含有纤维质材料的电池，例如铅酸蓄电池，和制造及使用这些电池的方法。纤维质材料指由纤维形成的材料。纤维指长度和直径的比(也就是说长径比)至少为5的实体。
本申请人发现，在电池中可以有利地使用纤维质材料以相对于其它实质上类似的但不含纤维质材料的电池，增加在电池中含有的电解质的量。例如，在电解质(例如，硫酸)是放电反应中的反应物的铅酸蓄电池中，增加存在于电池中的电解质的量可以增加电池的能量容量。可以将一些或全部的纤维质材料置于，例如，电池的体积中(例如，顶部空间(head space)和/或边缘体积)，该体积不然不会含有作为电解质和/或电池放电反应中的反应物的材料。任选地，可将纤维质材料的一部分加入电池的一个以上的组件例如一个以上的隔板、阳极板和/阴极板中。
一方面，本发明的特征是电池，其包括电池盒、置于电池盒内的电池单元和置于电池盒内的纤维质材料，使得至少一些纤维质材料在电池单元和电池盒之间。电池单元包括多个电池板和多个隔板。排列电池板和隔板，使得对于每对相邻的电池板，一个电池板形成阳极板而另一个电池板形成阴极板，并且隔板置于阳极板和阴极板之间。
另一方面，本发明的特征是制造具有电池盒的电池的方法。该方法包括将纤维质材料和电解质结和，并将纤维质材料和电解质置于电池的电池盒中。
在一些实施方式中，在置于电池盒之前将纤维质材料和电解质形成混合物，并且该方法包括在将纤维质材料和电解质置于电池盒之前，过滤该混合物以从混合物中除去至少一些纤维质材料。可以在将纤维质材料置于电池盒之前、之后或同时将电解质置于电池盒中。在将电解质置于电池盒之前，电池盒可以实质上没有任何电解质。
另一方面，本发明的特征是制造具有电池盒的电池的方法。该方法包括在电池的电池盒中建立电池单元，以及在建立电池单元之后，将纤维质材料置于电池盒中。电池单元由多个电池板盒多个隔板形成。排列电池板和隔板，使得对于每对相邻的电池板，一个电池板形成阳极板而另一个电池板形成阴极板，并且隔板置于阳极板和阴极板之间。
该方法可以进一步包括将电解质置于电池盒中。可以在将纤维质材料置于电池盒之前、之后或同时将电解质置于电池盒中。在将电解质置于电池盒中之前，电池盒可以实质上没有任何电解质。
本发明的实施方式可以包括下面的一个以上的方面。
该电池可以为，例如，铅酸蓄电池，例如吸附式玻璃纤维棉的阀控式铅酸蓄电池、富液式阀控铅酸蓄电池或凝胶阀控式铅酸蓄电池。在电池盒中电池进一步包括硫酸。一些硫酸可以吸附于纤维质材料上，而一些硫酸可以吸附于隔板中。
电池可以为，例如，镍金属氢化物电池。
纤维质材料可以有至少50％的酸吸收度。
纤维质材料可以由，例如，聚合物的材料或硅质的材料(例如，C玻璃)形成。在一些实施方式中，纤维质材料是无机材料。在某些实施方式中，纤维质材料是有机材料。在一些实施方式中，一些纤维质材料是无机材料，而一些纤维质材料是有机材料。
在一些实施方式中，在摇动试验过程中至少百分之一重量的纤维质材料通过10×10的筛子。在某些实施方式中，在摇动试验过程中至少百分之五重量的纤维质材料通过8×8的筛子。在一些实施方式中，在摇动试验过程中至少百分之五重量的纤维质材料通过6×6的筛子。
纤维质材料可以置于胶凝剂中。
纤维质材料可以和材料的粒子如二氧化硅粒子混合。
纤维质材料可以具有从0.1毫米到1.5毫米的平均长度。纤维质材料可以具有少于40微米的平均直径。纤维质材料可以具有平均小于1,500的长径比。
可将纤维质材料的一部分置于电池的顶部空间。可将纤维质材料的一部分置于电池的边缘体积中。至少一些纤维质材料可被吸附于至少一个隔板中。
在一些实施方式中，含有纤维质材料(例如，在顶部空间和/边缘体积)的电池可以比另外实质上类似但不含纤维质材料的电池，表现出更高的能量容量。
在一些实施方式中，含有纤维质材料(例如，在顶部空间和/边缘体积)的电池相对于另外实质上类似但不含纤维质材料的电池，表现出了降低了的腐蚀。
在一些实施方式中，含有纤维质材料(例如，在顶部空间和/边缘体积)的电池相对于另外实质上类似但不含纤维质材料的电池，表现出提高了的导热性。
本发明的特征、目的和优点在说明书、附图和权利要求中。


图1是吸附式玻璃纤维棉的阀控式铅酸蓄电池的实施方式的部分切除的透视图；图2是在顶部空间含有纤维质材料的吸附式玻璃纤维棉的阀控式铅酸蓄电池的横截面图；和图3是用于改变纤维结合体的平均长度的装置的实施方式的横截面图。
详细描述图1表示吸附式玻璃纤维棉的阀控式铅酸蓄电池100。电池100包括具有侧壁130a，103b，103c和103d的电池盒102。电池盒102还具有底部107和带有置于其中的出口106的盖子104。电池盒102含有通过搭板(strap)111连接到负极接线端112的阳极板110，和通过搭板121连接到正极接线端122的阴极板120。隔板130分别置于相邻的阳极和阴极板110和120之间。电池盒102还含有硫酸(例如硫酸水溶液)。电池100在盖子104和电池板110和120的顶部之间具有体积140，这里指顶部空间，实质上不含固体或液体材料。
图2表示在顶部空间140含有纤维质材料150的电池100的实施方式。通常，纤维质材料能够吸收至少一些电解质(例如，硫酸)。例如，在一些实施方式中，玻璃纤维具有至少50％(例如，至少100％、至少150％、至少200％、至少250％、至少300％、至少350％、至少约400％、至少约450％、至少约500％、至少约550％、至少约600％、至少约650％、至少约700％、至少约750％、至少约800％、至少约850％、至少约900％、至少约950％、至少约1,100％、至少约1,050％、至少约1,100％、至少约1,200％、至少约1,250％、至少约1,300％、至少约1,350％、至少约1,400％、至少约1,450％、至少约1,500％、至少约1,550％、至少约1,600％)的酸吸收度。
如下测量纤维质材料样品的酸吸收度。将一克纤维质材料置于器(例如，皮式培养皿)中。将足以湿润并覆盖纤维质材料的比重1.28的硫酸放置于纤维质材料上。纤维质材料浸于硫酸中5分钟。从硫酸中取出纤维质材料，放置于筛网上排干一分钟。然后测量纤维质材料的质量，求出纤维质材料的湿质量。用下式求出酸吸收度。
酸的吸收度＝((湿质量克数-1克)/(1克)×(100％))不希望受理论束缚，据信因为纤维质材料能用于包含另外的硫酸，该另外的硫酸超过实质上类似但在其顶部空间不含纤维质材料的铅酸蓄电池所能包含的硫酸量，所以相对于实质上类似但在其顶部空间不含纤维质材料的铅酸蓄电池，在顶部空间包括能吸收硫酸的纤维质材料的铅酸蓄电池可以增加可被包含于电池中的硫酸的量。此外，因为硫酸在铅酸蓄电池的放电反应中是反应物，所以据信在顶部空间包含纤维质材料的铅酸蓄电池能使电池比实质上类似但在其顶部空间不含纤维质材料的铅酸蓄电池有更高能量含量。
据信因为当接触含有硫酸的纤维质材料的时候比接触空气的时候组件趋向于有更低的腐蚀速率，所以相对于实质上类似但在其顶部空间不含纤维质材料的铅酸蓄电池，在顶部空间包含能吸收硫酸的纤维质材料的铅酸蓄电池可以降低位于顶部空间(例如，连接电极板与其各末端的搭板)的某些部件的腐蚀。据信，通过降低组件的腐蚀速率，可以用低级别的材料(例如，相对不纯的纯铅材料)制备所述的部件，这能降低制造电池的成本、降低制造电池的复杂程度和/或增加电池的有用寿命。
据信因为通常含硫酸的纤维质材料的热传导优于空气的热传导，所以相对于实质上类似但在其顶部空间不含纤维质材料的铅酸蓄电池，在顶部空间包括能吸收硫酸的纤维质材料的铅酸蓄电池能提高在电池盒和电池板/隔板之间的热传导。据信，通过提高在电池盒和电池板/隔板之间的热传导，可以在更低的温度下运转电池，这可降低维护电池的成本、降低维护电池的复杂度、提高电池的效率和/或提高电池的有用寿命。
在某些实施方式中，可以基于纤维质材料150的堆积密度确定所用的纤维质材料150(及结合的硫酸)的量。具体地说，假设顶部空间140的体积已知，能够置于顶部空间140的纤维质材料150的质量，可以基于纤维质材料150的堆积密度确定。此外，能置于顶部空间140硫酸(和纤维质材料150结合)的量，可基于纤维质材料150的酸吸收度确定。因此，可以根据顶部空间140的体积、需要的另外的硫酸(和纤维质材料150结合)的量和纤维质材料150的酸吸收度来选择纤维质材料150的堆积密度。一般地，纤维质材料150的堆积密度取决于纤维质材料的平均长度和平均直径。
在一些实施方式中，由一种以上的硅质材料形成纤维质材料。尽量可以使用各种类型的玻璃纤维，但通常玻璃纤维对铅酸蓄电池存储和使用条件是惰性的。在一些实施方式中，至少一些(例如，全部)玻璃纤维含有相对少量(例如少于1重量％、少于0.5重量％、少于0.1重量％)的钡和/或锌化合物(例如氧化钡，氧化锌)。在某些实施方式中，至少一些(例如，全部)玻璃纤维由通常称为C玻璃的那类玻璃所形成。
可以从，例如，Owens Corning(Toledo，OH)，Johns Manville(Denver，CO)，PPG(Pittsburgh，PA)，Nippon Sheet Glass(Tokyo日本)，EvaniteFiber Corporation(Corvallis，OR)和Hollingsworth & Vose公司(EastWalpole，MA)购得玻璃纤维。可以购得的玻璃纤维的例子包括PA-01玻璃纤维(Hollingsworth & Rose)、PA-10玻璃纤维(Hollingsworth &Vose公司)、PA-20玻璃纤维(Hollingsworth & Vose公司)、Evanite408玻璃纤维(Evanite Fiber公司)、Evanite 609玻璃纤维(Evanite Fiber公司)、Evanite 610 MB玻璃纤维(Evanite Fiber公司)、Evanite 719玻璃纤维(Evanite Fiber公司)、Famix 1103-B1玻璃纤维(由，例如，德国的Osthoff-Petrasch，Norderstedt销售)、Famix 1103-D1玻璃纤维(由，例如，Osthoff-Petrasch，Norderstedt销售)、Famix 1107-B1玻璃纤维(由，例如，Osthoff-Petrasch，Norderstedt销售)、Famix1107-D1玻璃纤维(由，例如，Osthoff-Petrasch，Norderstedt销售)、Famix 1203-B1玻璃纤维(由，例如，Osthoff-Petrasch，Norderstedt销售)。
在一些实施方式中，纤维质材料具有好的流动性能是有利的。例如，这可以降低组装电池的成本和/或复杂度(见如下的讨论)。
表1表示由具有不同平均长度的玻璃纤维形成的纤维质材料的流动性能。PA-10的平均长度为359微米，PA-20的平均长度为154微米。通过将给定重量的玻璃纤维的样品放置于具有给定尺寸的筛子上；用Syntron摇荡机以42Hz摇动样品5分钟；和称量通过筛子的玻璃纤维的重量来测定表I中的数据。此测试用于本文时指摇动试验。
表I

在某些实施方式中，至少1重量％(例如，至少2重量％、至少5重量％、至少10重量％、至少15重量％、至少20重量％、至少％30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％)的玻璃纤维在摇动试验过程中通过10×10的筛目。
在某些实施方式中，至少5重量％(例如，至少10重量％、至少15重量％、至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％、至少80重量％、至少90重量％)的玻璃纤维在摇动试验过程中通过8×8的筛目。
在某些实施方式中，至少5重量％(例如，至少10重量％、至少15重量％、至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％、至少80重量％、至少90重量％)的玻璃纤维在摇动试验过程中通过6×6的筛目。
在某些实施方式中，至少5重量％(例如，至少10重量％、至少15重量％、至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％、至少80重量％、至少90重量％)的玻璃纤维在摇动试验过程中通过4×4的筛目。
如表I中所示，在一些实施方式中，随着纤维的平均长度的降低可以提高纤维质材料的流动性能。
在某些实施方式中，玻璃纤维具有小于1.5毫米(例如，小于1.4毫米、小于1.3毫米、小于1.2毫米、小于1.1毫米、小于1毫米、小于0.975毫米、小于0.950毫米、小于0.925毫米、小于0.900毫米、小于0.875毫米、小于0.850毫米、小于0.825毫米、小于0.800毫米、小于0.775毫米、小于0.750毫米、小于0.725毫米、小于0.700毫米、小于0.675毫米、小于0.650毫米、小于0.625毫米、小于0.600毫米、小于0.575毫米、小于0.550毫米、小于0.525毫米、小于0.500毫米、小于0.475毫米、小于0.450毫米、小于0.425毫米、小于0.400毫米、小于0.375毫米、小于0.350毫米、小于0.325毫米、小于0.300毫米、小于0.275毫米、小于0.250毫米、小于0.225毫米、小于0.200毫米、小于0.175毫米、小于0.150毫米、小于0.125毫米、小于0.100毫米)的平均长度和/或至少0.100毫米(例如，至少0.125毫米、至少0.150毫米、至少0.175毫米、至少0.200毫米、至少0.225毫米、至少0.250毫米、至少0.275毫米、至少0.300毫米、至少0.325毫米、至少0.350毫米、至少0.375毫米、至少0.400毫米、至少0.425毫米、至少0.450毫米、至少0.475毫米、至少0.500毫米)的平均长度。
如下测定纤维样品的平均长度。将纤维置于载片上并通过使用从20X到200X的放大倍率的带有摄像机的Leica DMLS显微镜进行外观检查测定纤维的长度。用测得的纤维长度的算术平均值计算平均长度。
在一些实施方式中，具有小于40微米(例如，小于35微米、小于30微米、小于25微米、小于20微米、小于15微米、小于10微米、小于5微米、小于3微米、小于2.9微米、小于2.75微米、小于2.5微米、小于2.25微米、小于2.5微米、小于2.25微米、小于2微米、小于1.75微米、小于1.5微米、小于1.25微米、小于1微米)的平均直径和/或至少1微米(例如，至少1.25微米、至少1.5微米、至少1.75微米、至少2微米、至少2.25微米、至少2.5微米、至少2.75微米、至少3微米、至少3.5微米、至少4微米)的平均直径。在某些实施方式中，玻璃纤维具有从0.7微米到6.25微米(例如，0.9微米、1.35微米、2.9微米、2.8微米、6.1微米)的平均直径。
通过使用氩气的BET方法测定纤维样品的平均直径。
在某些实施方式中，玻璃纤维具有小于1,500(例如，小于1400、小于1,300、小于1,200、小于1,100、小于1,000、小于900、小于800、小于700、小于600、小于500、小于400、小于300)的平均长径比和/或至少约5(例如，至少10、至少50、至少60、至少70、至少80、至少90、至少100、至少110、至少120、至少130、至少140、至少150、至少160、至少170、至少180、至少190、至少200、至少250、至少300、至少350、至少400)的平均长径比。
纤维样品的平均长径比指纤维样品的平均长度和纤维样品的平均直径的比值。
在一些实施方式中，在手工抄纸试验中可以损失超过6重量％(例如，至少7重量％、至少8重量％、至少9重量％、至少10重量％、至少11重量％、至少12重量％、至少13重量％、至少14重量％)的纤维质材料。如下进行手工抄纸试验。将纤维质材料置于HamiltonBeach七速混合机，并加入550毫升去离子水(反渗透)到混合机。加入一定量的硫酸水溶液(22体积％硫酸)到混合机以使混合物的pH为2.8。混合物机设定为高速并混和10秒钟。混合的混合物倒入带有150目网筛的TAPPI半自动手工抄纸模具，并启动模具，使得混合的混合物在150目网筛上形成手工抄纸。然后关闭模具，用每平方英寸6.5磅的压力从150筛网中压出手工抄纸。用25磅的滚轧机轧制手抄纸五次，然后置于187℃的烘箱直至干燥。然后测量干燥的手工抄纸的重量。重量百分比损失是干燥的手工抄纸的质量和纤维质材料初始质量的比值乘以100％。
通常，可以用各种技术制备玻璃纤维。在一些实施方式中，通过降低相对长纤维的平均直径制备玻璃纤维。相对长纤维可以具有例如，至少5毫米(例如，至少7毫米、至少10毫米、至少15毫米、至少20毫米)的平均长度。例如，可以通过使用如下步骤压碎更长的纤维制备玻璃纤维。将相对长玻璃纤维捆置于容器中，施加压力(例如，至少每平方英寸50磅、至少每平方英寸75磅、至少每平方英寸100磅、至少每平方英寸125磅、至少每平方英寸150磅、至少每平方英寸175磅、至少每平方英寸200磅)于纤维将其压碎一段时间(例如，至少1秒钟、至少2秒钟、至少3秒钟、至少4秒钟、至少5秒钟、至少6秒钟、至少7秒钟、至少8秒钟、至少9秒钟、至少10秒钟)。重复压碎步骤所需要的次数(例如，1次、2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次、11次、12次)直至纤维具有希望的平均长度。在某些实施方式中，在一次以上压碎步骤之间(例如，在每次压碎步骤之间、在每两次压碎步骤之间)旋转捆某一角度(例如，5度、10度、20度、30度、40度、50度、60度、70度、80度、90度)。
在一些实施方式中，玻璃纤维结合体平均长度在压碎成玻璃纤维结合体之前和压碎之后的比值可以为至少15(例如，至少20、至少25、至少30、至少35、至少40、至少45、至少50、至少75、至少100、至少200、至少250)和/或小于500(例如，小于250、小于200)。
图3是用于形成玻璃纤维的装置300的横截面图。装置具有施加压力(例如，至少每平方英寸500磅、至少每平方英寸1,000磅、至少每平方英寸1,500磅、至少每平方英寸1,750磅)的压缩机310(例如，水力压缩机)。压缩机310通过导管315和缸320流体连通。缸320置于外壳330中并包括用于从缸320转移压力到压板340的表面部分342的液压机活塞322。压板340施加压力于置于外壳330中的开口350中的内含物(例如玻璃纤维捆)。通常，配置压板340、液压机活塞322和缸320使得通过压板340施加于开口350内含物的压力小于压缩机310施加于缸壁322的压力。例如，压板340施加于开口350内含物的压力可以是压缩机310沿缸壁322施加的压力的小于90％(例如，小于80％、小于70％、小于60％、小于50％、小于40％、小于30％、小于20％、小于10％)。
在使用系统300的过程中，玻璃纤维捆置于开口350内；液压机活塞322施加压力于压板表面342；并且来自压板340的压力施加于在开口350中的玻璃纤维给定的时间段。在某些实施方式中，在施加压力于捆步骤之间在捆旋转或不旋转的情况下重复此步骤。在重复施加压力步骤的实施方式中，对不同的压力应用步骤可以改变所用压力，或在每个压力应用步骤中他们可以实质上相同。
可用常规铅酸蓄电池电极材料形成阳极板110和阴极板120。一般地，阳极板110含铅，阴极板120含氧化铅。电池板110和/或120也可含有一种以上增强材料，例如切碎的有机纤维(例如，平均长度0.125英寸以上的)，金属硫酸盐(例如，硫酸镍、硫酸铜)，红丹(例如，含有Pb3O4的材料)，一氧化铅，石蜡油和/或增量剂。通常，增量剂包含硫酸钡，碳黑和磺化木质素作为主要组分。增量剂的组分可以预混或非预混。增量剂可以从，例如，Hammond Lead Procucts(Hammond，IN)和Atomized Products Group，Inc.(Garland，TX)购得。可购得的增量剂的例子是Texex增量剂(Atomized ProductsGroup，Inc.，Garland，TX)。在某些实施方式中，增量剂，金属硫酸盐和/石蜡存在于阳极板110，但不存在于阴极板120中。任选地，阳极板110和/或阴极板120可以包含本文所述的纤维质材料。
可以用常规铅酸蓄电池隔板材料形成隔板130。在一些实施方式中，可以用含有电解质(例如硫酸)的玻璃纤维(例如玻璃纤维簇)形成隔板130。
通常，可以使用任何需要的技术组装电池100。
在一些实施方式中，如下组装电池100。使用常规铅酸蓄电池组装方法在电池盒102中组装阳极板110，阴极板120和隔板130。然后将硫酸置于电池盒102中，随后加入纤维质材料到顶部空间140。然后将盖子104放置到位，并加上端子112和122。置于电池盒102中的硫酸的量足够恰当地湿润隔板130并同样湿润位于顶部空间140中的纤维质材料。因为除了在加入硫酸以后加入纤维质材料之外，用标准方法组装电池，所以此方法可以是有利的。
在某些实施方式中，用以前段落中注明的步骤组装电池100，除了在加入硫酸之前在顶部空间中加入纤维质材料以外。
在一些实施方式中，通常如下组装电池100。使用常规铅酸蓄电池组装方法在电池盒102中组装阳极板110，阴极板120和隔板130。然后将硫酸和纤维质材料混合以湿润并任选地浸透纤维质材料。然后过滤硫酸/纤维质材料的混合物，并随后将硫酸置于电池盒102中，随后将纤维质材料加入到顶部空间140中。然后将盖子104放置到位，并加上端子112和122。置于电池盒102中的硫酸的量足以恰当地湿润隔板130。因为除了加入成形物和过滤硫酸和纤维质材料之外，用标准的方法组装电池，所以此方法可以是有利的。但是，此方法的优点是，通过预湿润纤维质材料，不需要将超过湿润隔板130所需的另外的硫酸加入到电池盒102中。
在某些实施方式中，除了在加入电池盒之前不过滤硫酸和纤维质材料之外，用以上段落注明的步骤组装电池100。在这些实施方式中，隔板130可以过滤纤维质材料，从而在顶部空间形成板。
以下的实施例仅用于说明不能认为是限制。
实施例1如下制备50磅玻璃纤维。
将50磅PA-01玻璃纤维(Hollingsworth & Vose公司)形成为捆。将形成的捆放入上述的装置中(通过压缩器施加的每平方英寸1800磅，直径8英寸的水压力缸，直径4英寸的液压机活塞，19英寸×25英寸的压板)，将每平方英寸190磅的压力施加于该纤维5秒钟。除去压力，并将该捆旋转90度。再次将每平方英寸190磅的压力施加于该纤维5秒钟。得到的玻璃纤维有359微米的平均长度和1,097％的酸吸收度(acid absorption)。根据手工抄纸试验，所得玻璃纤维的五个样品有13.85％的平均重量损失，而根据手工抄纸试验，PA-01玻璃纤维的五个样品有5.15％的平均重量损失。
实施例2除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共6次以外，根据在实施例1中所述的方法制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维有183微米的平均长度和292％的酸吸收度。
实施例3
除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共9次以外，根据在实施例1中所述的方法制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维有154微米的平均长度和237％的酸吸收度。
实施例4除了1.)使用了Evanite 408玻璃纤维(Evanite FiberCorporation)，其具有387微米的平均长度和0.87微米的平均纤维直径；和2.)施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共3次以外，根据在实施例1中所述的方法制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维有150微米的平均长度和1,845％的酸吸收度。
实施例5除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共6次以外，根据在实施例4中所述的方法制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维有132微米的平均长度和1,577％的酸吸收度。
实施例6除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共9次以外，根据在实施例4中所述的方法制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维有112微米的平均长度和1,091％的酸吸收度。
实施例7除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共12次以外，根据在实施例4中所述的方法制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维有115微米的平均长度和742％的酸吸收度。
实施例8除了1.)使用了Evanite 609玻璃纤维(Evanite FiberCorporation)，其具有258微米的平均长度和1.35微米的平均纤维直径；和2.)施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共3次以外，根据在实施例1中所述的方法制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维有148微米的平均长度和1,274％的酸吸收度。
实施例9除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共6次以外，根据在实施例8中所述的方法制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维有125微米的平均长度和901％的酸吸收度。
实施例10除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共9次以外，根据在实施例8中所述的方法制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维有108微米的平均长度和665％的酸吸收度。
实施例11除了施加每平方英寸1800磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共12次以外，根据在实施例8中所述的方法制备玻璃纤维。得到的玻璃纤维有102微米的平均长度和430％的酸吸收度。
实施例12-22如下装配吸附式玻璃纤维棉的阀控式铅酸蓄电池。使用常规的铅酸蓄电池装配方法，在电池盒中装配阳极板、阴极板和隔板。然后将硫酸加入电池盒，随后将纤维质材料加入到电池的顶部空间中。然后将电池盖子放到位，并加上端子。加入到电池盒中的硫酸的量足以适当地湿润隔板并且还能湿润位于主要空隙的纤维质材料。
表II列出了在实施例12-22中用作纤维质材料的材料表II

实施例23-33除了在加入硫酸以前将纤维质材料放入电池盒以外，重复实施例12-22。
实施例34-44如下装配吸附式玻璃纤维棉的阀控式铅酸蓄电池。使用常规的铅酸蓄电池装配方法，在电池盒中装配阳极板、阴极板和隔板。然后将硫酸和纤维质材料混和以浸透纤维质材料。然后过滤硫酸/纤维质材料的混合物，和随后将该硫酸加入电池盒，然后将纤维质材料加入电池盒的顶部空间。然后将盖子放到位，并加上端子。加入到电池盒中的硫酸的量足以适当地湿润隔板，但是，因为预先浸透了纤维质材料，所以不再需要超过用于湿润隔板的量的另外的硫酸。
表III列出了在实施例34-44中用作纤维质材料的材料表III

实施例45-55除了在加入到电池盒以前没有过滤硫酸和纤维质材料的混合物之外，重复实施例23-33。
实施例56如下制备50磅玻璃纤维。
将50磅Evanite 408玻璃纤维(Evanite Fiber Corporation)形成为捆。将形成的捆放入上述的装置中(通过压缩器施加的每平方英寸1800磅，直径8英寸的水压力缸，直径4英寸的液压机活塞，19英寸×25英寸的压板)，将每平方英寸190磅的压力施加于该纤维5秒钟。除去压力，并将该捆旋转90度。再次将每平方英寸190磅的压力施加于该纤维5秒钟。另外重复10次该施加压力和旋转90度的过程。通过该方法制备的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺5.1磅的平均堆积密度。
实施例57
除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共9次以外，根据在实施例56中所述的方法制备50磅的玻璃纤维。通过该方法制备的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺3.5磅的平均堆积密度。
实施例58除了所述的玻璃纤维是609玻璃纤维(Evanite)，和施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共12次以外，根据在实施例56中所述的方法制备50磅的玻璃纤维。通过该方法制备的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺5.1磅的平均堆积密度。
实施例58除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共9次以外，根据在实施例58中所述的方法制备50磅的玻璃纤维。通过该方法制备的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺3.6磅的平均堆积密度。
实施例59除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共6次以外，根据在实施例58中所述的方法制备50磅的玻璃纤维。通过该方法制备的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺3.7磅的平均堆积密度。
实施例60如实施例1所述的制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺5.0磅的平均堆积密度。
实施例61如实施例1所述的制备50磅玻璃纤维。得到的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺5.1磅的平均堆积密度。
实施例62如下制备50磅玻璃纤维。
将50磅PA-10玻璃纤维(Hollingsworth & Vose公司)形成为捆。将形成的捆放入上述的装置中(通过压缩器施加的每平方英寸1800磅，直径8英寸的水压力缸，直径4英寸的液压机活塞，19英寸×25英寸的压板)，并将每平方英寸190磅的压力施加于该纤维5秒钟。除去压力，并将该捆旋转90度。再次将每平方英寸190磅的压力施加于该纤维5秒钟。得到的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺5.1磅的平均堆积密度。
实施例62除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共6次以外，根据在实施例61中所述的方法制备50磅的玻璃纤维。通过该方法制备的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺11.4磅的平均堆积密度。
实施例62除了施加每平方英寸190磅的压力5秒钟并在挤压之间将纤维旋转90度的步骤被重复共9次以外，根据在实施例61中所述的方法制备50磅的玻璃纤维。通过该方法制备的玻璃纤维的三个样品具有每立方英尺14.0磅的平均堆积密度。
尽管描述了一些实施例，但本发明并不限于这些实施例。
作为例子，一般说来，任何希望的材料都可形成纤维。例如，纤维可为硅质的纤维或非硅质纤维，合成纤维或非合成纤维，有机纤维或无机纤维，聚合物纤维或非聚合物纤维，有涂层的纤维或实质上没有涂层的纤维，中空的纤维或实际上非中空的纤维，多孔的纤维或实际上非多孔的纤维，金属的纤维或非金属的纤维，及其组合。聚合物的纤维类的例子包括取代的聚合物、非取代的聚合物、饱和的聚合物、非饱和的聚合物(例如，芳香族聚合物)、有机聚合物、无机聚合物、直链的聚合物、支链聚合物、均聚物、共聚物及其组合。聚合物纤维的例子包括聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯)、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二酯)、聚酰胺(例如，尼龙、芳族聚酰胺)、卤代的聚合物(例如，聚四氟乙烯)及其组合。其它的纤维类型的例子包括金属纤维(例如，由含有过渡金属或过渡金属合金的材料形成的纤维)、陶瓷纤维(例如由含有一种以上金属氧化物的材料形成的纤维，如钛酸盐纤维)、涂有金属的纤维、涂有合金的纤维、硫化物纤维、碳纤维(例如，石墨纤维)及其组合。一些可以购得的非硅质纤维的例子包括聚乙烯纤维的Short Stuff系，该Short Stuff系包括ESS5F，ESS2F，E380F，E400F，E780F，E990F，ESS5M，ESS2M，E400M，E780M，E990M，ESS50F，E385F和E795F(例如，由MiniFivers，Inc.，Johnson City，TN销售)。可以购得的非硅质纤维的另外的例子包括聚丙烯纤维的Short Stuff系，Short Stuff系包括Y600F，Y600M(例如，由MiniFivers，Inc.，销售)。
作为另外的例子，可以用各种方法制造纤维。在一些实施方式中，通过锤磨成希望的尺寸来制造纤维，通常指磨碎了的纤维。从，例如Owens-Corning(例如，731EC、731ED、737BC、737BD、739DC和739DD)，可以购得这些纤维。在一些实施方式中，磨碎的纤维可以具有约16微末的平均长度。在一些实施方式中，纤维可以被切成希望的尺寸。在一些实施方式中，纤维可以被切碎成希望的尺寸。一些可以购得的切碎的纤维的例子包括以上注明的Famix系纤维的成员。在一些实施方式中，可以使用这些方法的组合来制造纤维。
作为另外的例子，至少一些(例如，所有的)玻璃纤维可以是实质上没有涂层的纤维。实质上没有涂层的纤维表示在被混入阳极材料114或阴极材料124之前，在其表面的少于90％(例如，少于80％、少于70％、少于60％、少于50％、少于40％、少于30％、少于20％、少于10％、少于5％、少于4％、少于3％、少于2％、少于1％)上具有涂层(例如，金属涂层、金属氧化物涂层、合金涂层)。
作为此外的例子，至少一些(例如所有)玻璃纤维可以是实质上非中空的。用于本文时，实质上非中空的纤维表示内部体积至少10％(例如，至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％、至少99％)是固体。
作为另外的例子，至少一些(例如，所有)玻璃纤维可以是实质上非多孔的。用于本文时，实质上非多孔的纤维表示少于95％(例如，少于90％、少于80％、少于70％、少于60％、少于50％、少于40％、少于30％、少于10％)的表面形成多孔。
作为另外的例子，一般地，纤维质材料可以存在于电池的任何需要的部分。在一些实施方式中，纤维质材料可以存在于一个以上的阳极板、一个以上的阴极板和/或一个以上的隔板。在某些实施方式中，纤维质材料可以存在于阳极板及阴极板的侧面和底部之间的体积，本文称边缘体积。
作为此外的例子，纤维质材料可用于任何希望的电池，例如，溢流阀控式铅酸蓄电池、凝胶阀控式铅酸蓄电池和镍金属氢化物蓄电池。
作为另外的实施例，纤维质材料可以包含除了纤维以外的材料。在一些实施方式中，纤维质材料可以包含一种以上的胶凝剂。在某些实施方式中，纤维材料可以包含材料的粒子(例如，二氧化硅粒子)。
作为另外的实施例，可以使用硫酸以外的电解质。例如，电解质可以是氢氧化物(例如，氢氧化钾)。
其它的实施方式在权利要求中。
权利要求
1.电池，包括电池盒；电池盒中的电池单元，电池单元包括多个电池板；和多个隔板，设置电池板和隔板，使得对于每对相邻的电池板第一个电池板形成阳极，第二个电池板形成阴极；和隔板置于阳极板和阴极板之间；和在电池盒中的纤维质材料，至少一些纤维质材料在电池单元和电池盒之间。
2.如权利要求1的电池，其中所述的电池是铅酸蓄电池。
3.如权利要求2的电池，进一步包括在电池盒中的硫酸。
4.如权利要求3的电池，其中第一部分硫酸吸附于纤维质材料上。
5.如权利要求4的电池，其中第二部分硫酸吸附于隔板中。
6.如权利要求2的电池，其中所述的电池是阀控式铅酸蓄电池。
7.如权利要求6的电池，其中所述的电池是AGM型阀控式铅酸蓄电池。
8.如权利要求6的电池，其中所述的电池是富液式阀控铅酸蓄电池。
9.如权利要求6的电池，其中所述的电池是凝胶阀控式铅酸蓄电池。
10.如权利要求1的电池，其中所述的电池是镍金属氢化物电池。
11.如权利要求10的电池，其中纤维质材料包括聚合物材料。
12.如权利要求1的电池，其中纤维质材料包括硅质纤维材料。
13.如权利要求1的电池，其中纤维质材料包括C玻璃。
14.如权利要求1的电池，其中纤维质材料包括聚合物材料。
15.如权利要求1的电池，其中纤维质材料包括无机材料。
16.如权利要求1的电池，其中纤维质材料包括有机材料。
17.如权利要求1的电池，其中第一部分纤维质材料包括有机材料，第二部分纤维质材料包括无机材料。
18.如权利要求1的电池，其中在摇动试验过程中至少1重量％的纤维质材料通过10×10的筛目。
19.如权利要求1的电池，其中在摇动试验中过程中至少5重量％的纤维质材料通过8×8的筛目。
20.如权利要求1的电池，其中在摇动试验中过程中至少5重量％的纤维质材料通过6×6的筛目。
21.如权利要求1的电池，其中纤维质材料具有至少50％的酸吸收度。
22.如权利要求1的电池，其中纤维质材料置于胶凝剂中。
23.如权利要求1的电池，其中纤维质材料和材料的粒子混合。
24.如权利要求23的电池，其中材料的粒子包括二氧化硅粒子。
25.如权利要求1的电池，其中纤维质材料具有从0.1毫米到1.5毫米的平均长度。
26.如权利要求1的电池，其中纤维质材料具有小于40微米的平均直径。
27.如权利要求1的电池，其中纤维质材料具有小于1,500的平均长径比。
28.如权利要求1的电池，其中所述的电池在电池单元和电池盒之间具有顶部空间，并且一部分纤维质材料在该顶部空间中。
29.如权利要求1的电池，其中所述的电池在电池单元和电池盒之间具有边缘体积，并且一部分纤维质材料在边缘体积中。
30.如权利要求1的电池，其中至少一些纤维质材料被吸附于至少一个隔板中。
31.如权利要求30的电池，进一步包括吸附于至少一个隔板中的硫酸。
32.如权利要求30的电池，进一步包括吸附于至少一个隔板中的硫酸。
33.制造具有电池盒的电池的方法，该方法包括将纤维质材料和电解质结合；和将纤维质材料和电解质置于电池的电池盒中。
34.如权利要求33的方法，其中电解质包括硫酸。
35.如权利要求33的方法，其中电解质包括氢氧化钾。
36.如权利要求33的方法，其中在置于电池盒之前将纤维质材料和电解质形成混合物，并且所述的方法进一步包括在将纤维质材料和电解质置于电池盒中之前过滤混合物以从混合物中除去至少一些纤维质材料。
37.如权利要求33的方法，其中在将纤维质材料置于电池盒中之前将电解质置于电池盒中。
38.如权利要求33的方法，其中在将纤维质材料置于电池盒中之后将电解质置于电池盒中。
39.如权利要求33的方法，其中在将电解质置于电池盒中之前电池盒实质上不含任何电解质。
40.如权利要求33的方法，其中电池包括电池盒中的电池单元，电池单元包括多个电池板；和多个隔板，其中设置电池板和隔板，使得对于每对相邻的电池板第一个电池板形成阳极，第二个电池板形成阴极；和隔板置于阳极板和阴极板之间。
41.如权利要求40的方法，其中所述的电池在电池单元和电池盒之间具有顶部空间，并且至少一部分纤维质材料置于顶部空间中。
42.如权利要求40的方法，其中所述的电池在电池单元和电池盒之间具有边缘体积，并且至少一部分纤维质材料置于边缘体积中。
43.如权利要求40的方法，其中在将纤维质材料置于电池盒中之前构造电池单元。
44.如权利要求40的方法，其中在将电解质置于电池盒中之前构造电池单元。
45.如权利要求33的方法，其中所述的电池是铅酸蓄电池。
46.如权利要求33的方法，其中所述的电池是镍金属氢化物电池。
47.如权利要求33的方法，其中纤维质材料包括硅质材料。
48.如权利要求33的方法，其中纤维质材料具有从0.1毫米到1.5毫米的平均长度。
49.如权利要求33的方法，其中纤维质材料具有小于40微米的平均直径。
50.如权利要求33的方法，其中纤维质材料具有小于1,500的平均长径比。
51.制造具有电池盒的电池的方法，该方法包括在电池的电池盒中构造电池单元；和在构造电池单元之后，放置纤维质材料于电池盒中，其中电池单元包括多个电池板；和多个隔板，设置电池板和隔板使得对于每对相邻的电池板第一个电池板形成阳极，第二个电池板形成阴极；和隔板置于阳极板和阴极板之间。
52.如权利要求51的方法，进一步包括放置电解质于电池盒中。
53.如权利要求52的方法，其中电解质包括硫酸。
54.如权利要求52的方法，其中电解质包括氢氧化钾。
55.如权利要求52的方法，其中在将纤维质材料置于电池盒中之前将电解质置于电池盒中。
56.如权利要求52的方法，其中在将纤维质材料置于电池盒中之后将电解质置于电池盒中。
57.如权利要求52的方法，其中在将电解质置于电池盒中之前电池盒实质上不含任何电解质。
58.如权利要求51的方法，其中所述的电池在电池单元和电池盒之间具有顶部空间，并且至少一部分纤维质材料置于顶部空间中。
59.如权利要求51的方法，其中所述的电池在电池单元和电池盒之间具有边缘体积，并且至少一部分纤维质材料置于边缘体积中。
60.如权利要求51的方法，其中所述的电池是铅酸蓄电池。
61.如权利要求51的方法，其中所述的电池是镍金属氢化物电池。
62.如权利要求51的方法，其中纤维质材料包括硅质材料。
63.如权利要求51的方法，其中纤维质材料具有从0.1毫米到1.5毫米的平均长度。
64.如权利要求51的方法，其中纤维质材料具有小于40微米的平均直径。
65.如权利要求51的方法，其中纤维质材料具有小于1,500的平均长径比。
全文摘要
本发明公开了电池，如铅酸蓄电池(100)，其含有纤维质材料(150)；还公开了相关的方法。
文档编号H01M4/58GK1751401SQ200480004615
公开日2006年3月22日 申请日期2004年2月19日 优先权日2003年2月19日
发明者乔治·C·兹古里斯 申请人:Kvg技术有限公司