专利名称：使用导热性聚合物盒的电池的制作方法
技术领域：
本发明一般性地涉及电化学电池或蓄电池，更具体而言是碱性蓄电池。特别地，本发明涉及具有由强导热性的混合聚合物材料制成的塑料盒的碱性蓄电池。
背景技术：
可再充电电池被用于多种工业和商业用途，如叉式起重机、高尔夫车、不间断电力供给设备以及电动车。可再充电的铅酸蓄电池是用于内燃机的起动电动机的有用动力源。但是，由于它们的低能量密度(大约30Wh/kg)和不能充分抗热，使其成为电动车(EV)、混合电动车(HEV)以及2-3轮小型摩托车/摩托车的不实用的动力源。使用铅酸蓄电池的电动车加速缓慢，深度放电容忍度差，并且电池的寿命只有大约20000英里。
镍-金属氢化物电池(“Ni-MH电池”)远比铅酸蓄电池优越，Ni-MH电池是可用于电动车、混合动力车以及其他车用动力形式的理想电池。例如，诸如美国专利No.5277999(其公开的内容作为参考并入此处)中描述的那些Ni-MH电池具有比铅酸蓄电池高得多的能量密度，它能在电动车需要再充电之前供给电动车超过250英里的动力，能在15分钟内再充电，并且不含有毒材料。
过去为提高动力的电化方面问题以及Ni-MH电池的蓄电量进行过广泛的研究，这些在美国专利No.5096667、5104617、5238756和5277999中被详细讨论过，这些内容均作为参考并入此处。
直到最近，Ni-MH电池的机械和热学方面的性能一直被忽视。例如，对于电动车和混合动力车，电池重量是一个重要因素。出于此原因，减轻单个电池的重量在电动车或混合动力车的电池的设计中是一个重要的考虑因素。电池重量应当在仍能提供电池必需的机械要求(即，便于运输、耐用、结构完整等)的同时得到减轻。
电动车和混合动力车的应用提出严峻的热处理需求。单个的电化电池被很近地放置在一起，并且许多电池被电耦合在一起。因此，由于在充电放电过程中存在产生显著热量的内在倾向，一种用于电动车或混合动力车的可工作电池的设计通过其产生的热量是否被充分控制而进行评判。热量主要来源于三方面。第一，由于车辆在高温天气下工作产生的周围环境的热量。第二，在充电放电中抗阻或I2R热量，其中I代表流入或流出电池的电流，R代表电池的电阻。第三，巨大量的热量产生于过充电过程中的气体复合。
过去，Ni-MH电池使用由诸如铝、镍和不锈钢等材料制成的金属电池盒。这些电池盒通过这些材料本身优良的导热性能为电池提供了一条有效排除内部热量的途径。因此，即便电池盒只有一部分被暴露于冷却介质时，为电池和电池块(组)提供有效的热冷却都并不十分困难。
今天，要努力减轻这些电池(特别当应用于车辆时)的重量，这些类型的电池(和电池组)的电池盒由塑料制成。至今一直被使用的特殊塑料和/或混合物/掺合塑料由于其物理性能而被选用。对环境的介电性能和化学阻抗和电化学电池的内在化学性。不幸的是，这些塑料通常具有相对较低的导热性，因此它们的使用通常在电池被有效冷却的性能上受到严重限制，因此需要更加精细的系统来给电池提供结构完整性和热控制。
本领域需要制造具有重量轻的电池盒的电池，制造这种电池盒的轻质塑料混合物除具有此种电池需要的机械性能、介电性能、化学阻抗性能外还具有增强的导热性。通过提供容易、一致的冷却和灵活的冷却设计选择，这些电池将使对电池、电池块和电池包(通过气体冷却和/或液体冷却剂冷却)的热处理更容易。
发明概述本发明包括电池，其具有至少一组电力产生元件，每一个电力产生元件至少包括正极、负极和隔板；以及容纳电力产生元件组的电池盒。电池盒由混合物制成，该混合物包括选自塑料、聚合物、树脂或它们的组合物的基材。该混合物进一步包括导热材料，其导热性比基材的导热性高至少一个数量级。本发明还包括由混合物制成的、用于制造电池的电池盒(盖子和容器)。
所述聚合物基材可以是至少一种选自聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸类树脂、乙烯基树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃、聚酯、聚苯硫醚、聚苯醚、聚苯氧、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、液晶聚合物和它们的结合物、混合物、掺合塑料或共聚物的聚合物。尤其优选的是聚苯醚/聚苯乙烯混合物和聚丙烯/聚苯醚混合物。
所述导热、电绝缘材料可以在基材中以连续的(即两维或三维的网或簇)、不连续的(即颗粒材料或纤维材料)或混合的模式分布。合适的导热、电绝缘材料的例子包括氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化锌、氮化硅、氮化铝和氮化硼以及它们的混合物。尤其优选的是氮化硼微粒。
图1是根据本发明一种实施方案的蓄电池盒实例的示意图；图2示出本发明电池的实施方案，包括由强导热性的聚合物材料制成的矩形电池容器。
图3为根据本发明另一实施方案的单块型或多块型电池盒的透视图。
图4为根据本发明另一实施方案的另一种单块型或多块型电池盒的透视图。
图5示出根据本发明另一实施方案的单块型或多块型电池。
发明详述本发明包括由强导热性的聚合物材料制成的电池盒和包括该电池盒的电池。图1至5简要说明了实施本发明蓄电池及其电池盒的实施例；但本发明并不局限于这些实施方案。图1示出一种本发明的电池盒，其包括由强导热性的聚合物材料制成的容器1和盖子2。盖子2具有负极端3和正极端4。容器1和盖子2通过熔接或热焊接或诸如振动或声波焊接等其他方式焊在一起。
图2示出本发明的电池10的实施方案，其包括由强导热性聚合物材料制成的矩形电池容器1。该电池包括电极组11和电解质。该电极组包括正极板和负极板以及一个叠一个的隔板。由与容器1相同的强导热性聚合物材料制成的盖子2被焊接到电池容器1的顶部开口。该盖子2包括由导电材料制成的正极端4和负极端3以及安全气孔6。
图3和图4示出根据本发明另一实施方案的单块型电池和多块型电池的容器。容器1由强导热性的聚合物材料制成，其具有统一在一个盒子里的多个电池分隔室5。容器1包括四个侧壁13a、13b、13c和13d以及底壁12(未示出)，这些侧壁和底壁连接成整体以形成矩形盒子，其中与底壁12相对的上侧面敞开。容器1进一步包括数个位于容器1内部的分隔壁15，以形成电池分隔室5，电化学电池被插于电池分隔室中。
图5示出根据本发明另一实施方案的单块型或多块型电池。该电池包括盒子，该盒子具有密封在一起的容器1和盖子2。该电池也包括正极端4和负极端3。该电池还包括安全气孔6。
此外，尽管对于实施本发明未特别要求，但图2、4和5中的实施方案也显示了附加的结构/热处理特征，即加强筋16和/或凸起17。
所述电池的电池盒(指的是容器1和盖子2的结合体)由包括基材和分布于整个基材中的导热、电绝缘材料的混合物制成。该基材可以是任何塑料、聚合物、树脂或它们的结合物。该导热性材料的导热性应当比基材的导热性高至少一个数量级。
所述聚合物基材可以是任何已知的用于形成塑料电池盒的材料，具体可以包括至少一种聚合物，其选自聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸树脂、乙烯基树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃、聚酯、聚苯硫醚、聚苯醚、聚苯氧、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、液晶聚合物和它们的结合物、混合物、掺合塑料或共聚物。首选的是聚苯醚/聚苯乙烯混合物和聚丙烯/聚苯醚混合物。
该导热、电绝缘材料可以在基材中以连续的、不连续的或混合的模式分布。不连续分布的例子包括颗粒材料或纤维材料。连续分布的例子包括两维或三维的网或簇。
合适的导热、电绝缘材料的实例包括氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化锌、氮化硅、氮化铝和氮化硼以及它们的混合物。特别优选的是氮化硼微粒。导热、电绝缘材料的目的在于增加用于形成电池盒的混合物的整体导热性。因此必须具有足够数量的导热、电绝缘材料以完成上述任务。另一方面，若添加太多会导致制造有用的电池盒所要求的重要物理性能下降。优选的是，该混合物的导热性至少是基材的两倍。更优选的是，该混合物的导热性至少是基材的五倍，最优选的是，该混合物的导热性至少是基材的十倍。
该混合物可进一步包括加强聚合物基材的强化材料。该强化材料优选为纤维形式，并至少由玻璃和无机材料中的至少一种制成。
一般地，用于本发明的电池的电解质可以是含水电解质或非水电解质。非水电化学电池的一个例子是锂离子电池，其使用插入化学物做阳极和阴极以及液体有机或聚合物电解质。含水电化学电池可以被分为“酸性”或“碱性”。酸性电化学电池的一个例子是铅蓄电池，其使用二氧化铅作为正极活性材料，并在高表面积多孔结构中使用金属铅作为负极材料。优选地，本发明的电化学电池为碱性电化学电池。碱性电解质可以是碱金属氢氧化物的水溶液。优选的是，该碱性电解质可以是氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液、氢氧化锂水溶液或它们中一种或多种的混合物。该碱性电解质可以是氢氧化钠和氢氧化锂的混合物。
所述隔板可以是任何那些现有技术中已知的，如多孔聚合物板等。隔板还可以与同样在现有技术中公知的电解质结合。也就是，电解质可以是胶质电解质，因此以单一组分既可以作为隔板也可作为电解质。隔板与电解质结合必须为电池提供正极和负极之间的离子传导及其间的电阻。
一般地，本发明电池使用的正极活性材料和负极活性材料可以是现有技术中使用的任何类型的活性电池材料。正极材料的例子是氧化铅、二氧化锂钴、二氧化锂镍、氧化锂锰混合物、氧化锂钒混合物、氧化锂铁、锂化合物，即这些化合物和过渡金属氧化物的复合氧化物、二氧化锰、氧化锌、氧化镍、氢氧化镍、氢氧化锰、氧化铜、氧化钼、氟化碳等的粉末。优选的是，负极活性材料为吸氢合金。使用任何吸氢合金都在本发明的精神和目的内。因此，在本发明的优选实施方案中，每一电化学电池均是镍-金属氢化物电池，其包括具有储氢材料作为活性材料的负极和具有氢氧化镍活性材料的正极。
尽管本发明通过优选实施方案和过程得以说明，但应理解为被描述的实施方案和过程目的不在于限制本发明。相反，其目的在于覆盖所有可能包括在附加的权利要求所限定的本发明的精神和范围的替换、修改和等同物。
权利要求
1.电池，包括至少一组电力产生元件，每一个电力产生元件至少包括正极、负极和隔板；以及容纳所述电力产生元件组的电池盒；所述电池盒由混合物制成，该混合物包括选自塑料、聚合物、树脂或它们的组合物的基材；其中所述混合物进一步包括分布于整个基材中的导热电绝缘材料，并且所述导热材料的导热性比基材的导热性高至少一个数量级。
2.权利要求1的电池，其中所述基材包括至少一种聚合物，该聚合物选自聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸类树脂、乙烯基树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃、聚酯、聚苯硫醚、聚苯醚、聚苯氧、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、液晶聚合物和它们的结合物、混合物、聚合物合金或共聚物。
3.权利要求2的电池，其中所述至少一种聚合物是聚苯醚和聚苯乙烯的混合物。
4.权利要求2的电池，其中所述至少一种聚合物是聚丙烯和聚苯醚。
5.权利要求1的电池，其中所述导热、电绝缘材料以不连续方式分布于基材中。
6.权利要求5的电池，其中所述导热、电绝缘材料是纤维材料的散粒。
7.权利要求1的电池，其中所述导热、电绝缘材料以连续方式分布于基材中。
8.权利要求7的电池，其中所述导热、电绝缘材料为两维或三维的网或簇。
9.权利要求1的电池，其中所述导热、电绝缘材料包括至少一种选自氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化锌、氮化硅、氮化铝和氮化硼的材料。
10.权利要求9的电池，其中所述导热、电绝缘材料是氮化硼散粒。
11.权利要求1的电池，其中所述混合物进一步包括加强聚合物基材的强化材料。
12.权利要求11的电池，其中所述强化材料为纤维形式。
13.权利要求11的电池，其中所述强化材料包括玻璃和无机矿物质中的至少一种。
14.权利要求11的电池，其中所述强化材料为玻璃纤维。
15.权利要求1的电池，其中所述混合物的导热性至少为基材的导热性的两倍。
16.权利要求15的电池，其中所述混合物的导热性至少为基材的导热性的五倍。
17.权利要求16的电池，其中所述混合物的导热性至少为基材的导热性的十倍。
18.电池盒，包括盖子和容器；所述盖子和容器由包括基材的混合物制成，该基材选自塑料、聚合物、树脂或它们的结合物，其中所述混合物进一步包括分布于整个基材中的导热、电绝缘材料，所述导热、电绝缘材料的导热性比基材的导热性高至少一个数量级。
全文摘要
一组电池，具有至少一组电力产生元件，每一个电力产生元件至少包括正极、负极和隔板；以及容纳电力产生元件组的电池盒。电池盒由混合物制成，该混合物包括选自塑料、聚合物、树脂或它们的组合物的基材。该混合物进一步包括分布在整个基材中的导热的电绝缘材料。该导热材料的导热性比基材的导热性高至少一个数量级。本发明还包括由混合物制成的、用于制造电池的电池盒(盖子和容器)。
文档编号H01M2/02GK1960920SQ200580011115
公开日2007年5月9日 申请日期2005年4月11日 优先权日2004年4月14日
发明者R·普泰亚, J·斯马加, R·希姆莱, L·R·希格利, M·D·穆勒 申请人:双向电池公司