用于制造纤维电极的方法和机器与流程

本发明涉及改进的方法和机器，用于与纤维材料(特别是通常用作电极材料的纤维材料，例如用于电池或电芯纤维电极)形成连接(特别是电连接)，本发明还涉及这样形成的材料，特别是如此形成的电极。

背景技术：

在包含纤维特别是一个或多个碳纤维电极的铅酸电池或电芯中，通常在导电纤维电极材料和与外部电路连接的连接器或凸耳(这里通常称为凸耳)之间需要非常低的电阻和在机械上耐用的连接。

申请人的pct国际专利申请公开了一种在导电纤维材料电极元件上形成凸耳的方法，其包括通常在模具中压力浸渍凸耳材料，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维。

为了实现多个电极的快速大批量制造，需要一些形式的连续凸耳形成工艺。

技术实现要素：

在广义上，在一个方面，本发明包括一种用于与纤维材料电极元件形成连接的方法，其包括：使一定长度的纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然；以及通过压力注射级，通过一系列压力注射脉冲将凸耳材料压力浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在凸耳区域中形成凸耳条带。

在另一方面，广义地说，本发明包括一种用于与导电纤维材料电极元件形成电连接的方法，其包括：使一定长度的纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然；以及通过压力注射级，通过一系列压力注射脉冲将凸耳材料压力浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在凸耳区域中形成电连接到纤维材料的凸耳条带。

在另一方面，广义地说，本发明包括一种用于与导电纤维材料电极元件形成电连接的方法，其包括：使一定长度的导电纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然；以及通过压力注射级，通过一系列压力注射脉冲将导电凸耳材料压力浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在凸耳区域中形成电连接到纤维材料的凸耳条带。

在至少一些实施例中，压力浸渍包括在模具(密封或不密封)中不包含纤维材料的凸耳区域部分的情况下进行压力浸渍。

在另一方面，广义地说，本发明包括一种用于与纤维材料电极元件形成电连接的方法，其包括：使一定长度的纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然；以及通过压力注射级，在模具中不包含纤维材料的凸耳区域部分的情况下将凸耳材料压力浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在凸耳区域中形成电连接到纤维材料的凸耳条带。

在另一方面，广义地说，本发明包括一种用于与纤维材料电极元件形成连接的方法，其包括：使一定长度的纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然，该压力注射级向电极元件施加连续压力；以及通过压力注射级，将材料连续地浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在凸耳区域中形成连接到纤维材料的凸耳条带。

在另一方面，广义地说，本发明包括一种用于与纤维材料电极元件形成电连接的方法，其包括：使一定长度的纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然，该压力注射级向电极元件施加连续压力；以及通过压力注射级，将凸耳材料连续地浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在凸耳区域中形成电连接到纤维材料的凸耳条带。

通常，该方法包括使纤维材料连续地或阶梯式地运动，并且在纤维材料和压力注射级之间的相对运动期间，通过压力注射级，通过一系列压力注射脉冲将凸耳材料压力浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，使得多个压力注射脉冲将凸耳材料注射到纤维材料的不同的相邻部分中，但是沿着凸耳区域形成连续的凸耳。

本发明的方法可能需要一系列压力注射脉冲是受控制的一系列压力注射脉冲。

本发明的方法可以在不在模具中包含纤维材料的凸耳区域部分的情况下执行。

纤维材料的长度可以随后跨越凸耳条带进行切割以形成多个单独的电极元件，每个单独的电极元件具有用于电极元件的外部连接的凸耳。

在至少一些实施例中，连续凸耳的沿着材料平面的宽度在约1mm至约200mm的范围内，并且压力浸渍包括将凸耳材料从约0.1至约10mm²范围内的区域的孔口递送到纤维材料中。

在至少一些实施例中：

压力浸渍包括从与纤维材料的表面接触的孔口或者与纤维材料的表面间隔开不超过2mm的孔口将凸耳材料递送到纤维材料中，和/或

每个压力注射脉冲的持续时间在约0.1至约2秒的范围内，和/或

纤维材料和压力注射级之间的相对运动的速率在约0.01m/s至10m/s的范围内，和/或

每个单独孔口递送的每个压力注射脉冲的体积<1cm³,和/或

在注射的凸耳材料和纤维材料之间存在温差，例如，注射温度在约300℃至约500℃之间，纤维材料的温度低于300℃，和/或

压力脉冲的频率至少为1hz，和/或

当通过一系列压力脉冲递送时，凸耳材料包括可以电连接和/或机械连接的连续的凸耳材料条带，和/或

一系列压力脉冲可以以1个脉冲/0.1m至约200个脉冲/0.1m的范围内的速率递送。

在至少一些实施例中，每个压力注射脉冲的压力在脉冲的末端处或朝向脉冲的末端比在每个脉冲的开始处或朝着每个脉冲的开始更高。

在另一方面，广义地说，本发明包括一种纤维材料，其长度至少为1米，具有沿着纤维材料的长度的凸耳条带，该凸耳条带的宽度小于纤维材料的宽度，该纤维材料包括凸耳材料连续浸渍到纤维材料中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并电连接到纤维材料的纤维。

纤维材料可以具有至少10米的长度。

凸耳条带可以形成在纤维材料的纵向边缘处或附近，并且包括超过纤维材料的边缘的凸耳延伸部。

通常，纤维材料是诸如碳纤维材料的非金属材料，例如非织造(诸如流体缠结碳纤维材料、毡状碳纤维材料)、针织或织造碳纤维材料。该材料的平均纤维间间距小于约250微米，在一些实施例中小于约200微米、小于约100微米、小于约50微米、小于约20微米、或小于约10微米。

在一些实施例中，浸渍材料浸渍纤维的至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约70％、至少约80％、或至少约90％、或至少约95％、或至少约98％、或至少约99％。

在上述所有实施例中，纤维材料可以是非织造材料(例如毡材料)、织造材料(包括相交的经纱和纬纱)或针织材料。该材料可以是碳纤维材料，例如非织造、针织或织造的碳纤维织物，或者可以是玻璃纤维或硅基纤维材料。纤维(例如碳纤维)通常是多丝的，但也可以是单丝的。在一些实施例中，纤维材料的平均纤维间间距小于约250微米、或小于约200微米、小于约100微米、小于约50微米、小于约20微米或小于约10微米。纤维直径可以在约1微米至约30微米、约4微米至约20微米、或约5微米至约15微米的范围内。(未浸渍)材料中的空隙度例如可以为至少约50％、或至少约60％、或至少约70％、或至少80％、或至少约95％、或至少约98％、或至少约99％。

在一些实施例中，浸渍凸耳材料是金属。在一个实施例中，金属是pb或pb合金(这里两者都被称为pb)。在另一个实施例中，金属是zn或zn合金(这里两者都被称为zn)。在另一个实施例中，金属是cd或cd合金(这里两者都被称为cd)。在另一个实施例中，金属是al或al合金(这里两者均包括为al)。作为另外一种选择，浸渍凸耳材料可以是聚合物材料，例如导电聚合物。

在一些实施例中，纤维材料可以是已经通过电弧放电处理的碳纤维材料。碳纤维材料可以通过使碳纤维材料在反应室内运动通过在电极的一侧上包括多个相邻电极的电极之间的间隙中的电弧或者通过多个相邻的电极而进行电弧处理，使得电弧存在于每个电极和材料之间。在其它实施例中，用作电极集电器材料的碳纤维材料可以在升高的温度下进行热处理，例如在1200至2800℃的范围内。这种处理可以增加材料的导电性。

根据本发明，在电芯或电池中，一个或多个正极和/或一个或多个负极可以由具有凸耳的一层或多层纤维材料形成。本发明有时参照铅酸(pb-acid，pb酸)电池的电极进行了描述，但也可以应用于诸如锂离子电池的其它电池类型，并且也可以用于其它应用中，例如在太阳能电池的电极中，或在电容器或超级电容器中。

在一些实施例中，本发明包括包含本发明的pb酸电池和/或根据本文教导的方法制备的混合动力车辆。在其它实施例中，混合动力车辆具有启停和/或再生制动功能。在其它实施例中，当车辆发动机关闭时，电池可带动附件负载。

本发明的制造方法和产品的益处在于，随后切割成单个电极的连续纤维材料在其上形成有连续的凸耳条带，而不是一系列单独的分离的凸耳节段。这种连续的凸耳条带用于在随后的制造步骤和处理期间加强连续纤维材料，例如在将连续纤维材料切割成单独的分离的电极之前进行的活性材料的粘贴。具有沿着连续纤维材料的连续凸耳而不是一系列单独的分离的凸耳节段，也可以使连续纤维材料更容易地供给通过随后的制造步骤。

在广义上，在另一个方面，本发明包括一种用于与纤维材料电极元件形成电连接的设备，其被布置成：使一定长度的纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然；以及通过压力注射级，通过一系列压力注射脉冲将凸耳材料压力浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在凸耳区域中形成凸耳条带。

在另一方面，广义地说，本发明包括一种用于与导电纤维材料电极元件形成电连接的设备，其被布置成：使一定长度的导电纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然；以及通过压力注射级，通过一系列压力注射脉冲将导电凸耳材料压力浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在凸耳区域中形成电连接到纤维材料的凸耳条带。

在另一方面，广义地说，本发明包括一种用于与纤维材料电极元件形成电连接的设备，其被布置成：使一定长度的纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然；以及通过压力注射级，通过一系列压力注射脉冲将凸耳材料压力浸渍到纤维材料的凸耳区域部分中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在凸耳区域中形成电连接到纤维材料的凸耳条带。

在一些实施例中，该设备被布置成在纤维材料的纵向边缘处或附近形成凸耳条带。在一些实施例中，设备被布置成横向穿过纤维材料形成凸耳条带。在一些实施例中，凸耳条带还包括超出纤维材料边缘的一个或多个凸耳延伸部。在一些实施例中，凸耳延伸部可以例如通过冲压从凸耳条带切出。

在一些实施例中，该设备被布置成通过在散热器传送器上输送纤维材料，使纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然。在一些实施例中，散热器传送器包括旋转滚筒，并且纤维材料穿过旋转滚筒和压力注射级之间的辊隙。

在本说明书中，“凸耳”是指使纤维电极能够进行外部连接的任何导电元件或连接器，而不管物理或机械形式如何。

在本说明书中，“凸耳区域”和“凸耳区”可互换使用并且具有相同的含义，是指在成形凸耳之后包括包封纤维材料的凸耳材料基体的纤维材料的区域，可选地，凸耳区域还可以包括连续地或间隔地延伸到该基体的一侧的实心凸耳材料的延伸部。

在本说明书中，关于凸耳的“基体”是指以具有长度、宽度和深度的3维结构将纤维材料封装在凸耳区域中的凸耳材料。

在本说明书中，“混合动力车辆”是指这样一种车辆，其结合有怠速消除(启停功能)、再生制动以及内燃机与电动机的任何组合中的任何一个，其中内燃机与电动机中的一个、另一个或两者可以提供驱动功能，混合动力车辆也可以包括仅可以是部分混合动力车辆的车辆。

更一般地，本发明的方法可以用于与不是电极元件的纤维材料形成电连接，或甚至更通常地用于将不是导电的第一材料浸渍到纤维材料中而不用于与纤维材料形成电连接，而是用于其它工业目的，因此比上述更宽泛地描述，本发明可以被认为包括用于在第二纤维材料的厚度内和穿过第二纤维材料的厚度形成第一材料的整体区域的方法，其包括：使一定长度的纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然；以及通过压力注射级，通过一系列压力注射脉冲将第一材料压力浸渍到纤维材料的一部分区域中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在纤维材料中形成浸渍材料的区域。

在另一方面，广义地说，本发明包括一种用于在第二纤维材料的较大面积的厚度内和穿过第二纤维材料的较大面积的厚度形成第一材料的整体区域的方法，其包括：使一定长度的纤维材料相对于压力注射级运动，或反之亦然；以及通过压力注射级，(在模具中不包含纤维材料的情况下)将第一材料压力浸渍到纤维材料的一部分区域中，以围绕和/或穿透纤维材料的纤维并在纤维材料中形成浸渍材料的区域条带。

此外，本发明的方法可以用于沿着纤维材料的长度和宽度增加纤维材料的拉伸强度，使其比不采用本发明的方法的情况更强。

本说明书中使用的术语“包括”意指“至少部分地由……构成”。当解释本说明书中包含术语“包括”的每个语句时，也可以存在除该术语之前的特征之外的特征。相关术语如“包含”和“具有”将以相同的方式解释。

附图说明

参考附图，以举例的方式进一步描述本发明的实施例，其中：

图1示出了通过本发明的方法实施例形成的具有pb凸耳的碳纤维材料电极，

图2是包括多层碳纤维材料和凸耳的电极的示意性横截面，

图3是与图2类似的电机的示意性横截面，但是包括单层碳纤维材料和凸耳，

图4示出了碳纤维材料的一部分的近视示意图，其上形成有pb凸耳条带，

图5是通过压力注射器头部下方的碳纤维材料的示意性横截面视图，

图6是压力注射级的示意性横截面视图，

图7是在一个实施例中纤维材料进入和离开压力浸渍级以形成单个纵向边缘凸耳条带的示意性平面图，

图8是在另一个实施例中纤维材料进入和离开压力浸渍级以沿两个纵向边缘形成凸耳条带的示意性平面图，

图9a和9b是如实验实施例中所述的其中形成有pb凸耳条带的碳纤维毡的一部分的上侧和下侧的图像，

图10a和10b是如实验实施例中所述的在碳纤维毡上形成的pb凸耳条带(单独)的一部分的下侧和顶侧的图像，

图11是形成在碳纤维毡上的pb凸耳条带的一部分的下侧的sem图像，

图12a是在碳纤维毡上形成的穿过pb凸耳条带(单独)切割的sem图像，

图12b是比图12a具有更高放大倍数的sem图像，显示了在单独纤维周围和之间的具有低空隙率的pb浸渍，

图13是凸耳成形机的一个实施例的透视图，

图14是图13的凸耳成形机的侧视图。

图15是沿着图13的线ii-ii截取的凸耳成形机的示意性纵向剖视图，

图16是沿着注射器头部的图13的ii-ii线截取的放大示意性垂直横截面视图，其放大以显示更大尺度的操作部件，

图17是沿着图13的iii-iii线截取的凸耳成形机的侧视图，

图18是沿着图16的注射器头部的图13的iii-iii线截取的示意性垂直横截面视图，其被放大以更大尺度显示操作部件，

图19是类似于图16的放大示意性垂直横截面视图，但是是注射器头部的替代实施例的视图，以及

图20是类似于图18的放大示意性垂直横截面视图，但是是注射器201/202的图19的替代实施例的注射器头部的进一步放大视图。

具体实施方式

凸耳

图1示出了用于pb酸电芯或电池的导电纤维电极(例如碳纤维电极)的截面，其例如具有通过本发明的压力浸渍实施例在纤维材料上形成的一种形式的凸耳(例如pb凸耳)。纤维材料用1表示，凸耳用2表示。凸耳可以具有与纤维材料厚度(单层或多层)相似的厚度(通过材料平面的尺寸)或更小的厚度，或者可以具有更大的厚度。图2是示出了凸耳区域50和电极区域51两者的类似电极的示意性横截面。图2中的电极包括多个纤维材料层1和凸耳2。图3是与图2类似的电机的示意性横截面，但是包括单层碳纤维材料和凸耳。在所示的实施例中，凸耳具有超出纤维材料边缘的凸耳延伸部3，其包括仅仅是诸如pb的实心凸耳材料的凸耳材料。凸耳通常由诸如pb或pb合金、zn或zn合金、或者cd或cd合金、或者al或al合金的金属形成，但是作为另外一种选择也可以由其它凸耳材料形成，例如导电聚合物。

在所示的实施例中，凸耳沿着电极的单个边缘延伸，该单个边缘是单个上边缘，但是作为另外一种选择，凸耳可以沿着电极的两个或更多个边缘延伸，凸耳的形状可以是弯曲的或弓形的(拱形的)，和/或凸耳可以形成为延伸跨越电极的中心区域和/或延伸跨越电极区域。此外，可以提供横向/大尺度集电器52，该集电器以与将要描述的凸耳形成方式相同的方式形成，该集电器从凸耳区域延伸跨越并延伸到电极区域内的任何位置。优选地，大尺度集电器延伸到电极的与凸耳区域沿直径相对的边缘。

在一些实施例中，电极材料的基本上所有或至少大部分纤维连续地跨越电极延伸到或穿过凸耳。

纤维材料可以是非织造织物，例如流体缠结的、毡制的、针织的或编织的纤维织物，特别是例如流体缠结的、毡制的、针织的或编织的碳纤维织物的非织造织物。作为另外一种选择，材料可以是玻璃纤维或硅基纤维材料，其可以涂覆有通常为金属的导电材料，例如pb膜或涂层。纤维(例如碳纤维)通常是多丝的，但也可以是单丝的。在至少一些实施例中，纤维材料的平均纤维间间距小于约250微米、小于约100微米、小于约50微米、小于约20微米、或小于约10微米。在至少一些实施例中，纤维直径在约1微米至约30微米、约4微米至约20微米、或约5微米至约15微米的范围内。(未浸渍)材料中的空隙率可以在约50％至至少约99％、约40％至约99％、或约30％至约98％、或约20％至约98％、或约15％至约98％、或约10％至约95％的范围内。未浸渍材料的这种空隙率是不被纤维材料的纤维占据的空间(空隙率)。

在一些实施例中，浸渍材料浸渍至少约50％、至少约60％、至少约780％、或至少约80％、或至少约90、或至少约95％、或至少约98％之间的空隙纤维材料。未浸渍材料的这种空隙率是不被纤维材料本身或已经浸渍纤维材料的浸渍材料所占据的空间(空隙率)，即浸渍后的未浸渍材料的残留空隙率。

在一些实施例中，纤维材料中的纤维间空隙率(由在未浸渍的材料中未被纤维占据的材料的外部尺寸限定的总体积的一部分)通过将凸耳材料浸渍到纤维之间的纤维间空隙中而减小到初始纤维间空隙率的至少约50％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约95％、至少约98％、或至少约99％。

在一些实施例中，纤维材料的纤维是多丝纤维，并且浸渍凸耳材料也穿透细丝之间，从而也降低纤维间空隙率。在一些实施例中，纤维间隙空隙率也降低至未浸渍的纤维材料中的纤维间空隙率的约40％、至约30％、至约25％、至约20％、至约10％、至约5％、或至约1％。

凸耳材料的基体将微尺度碳纤维电极材料封装在凸耳区域中。在微尺度碳纤维电极材料和凸耳之间形成极低电阻连接。凸耳材料和纤维之间的空隙率也被最小化，防止或最小化电池电解质随后进入凸耳到纤维连接并使连接变坏，因此连接更加耐用。

任选地，凸耳材料和纤维和/或细丝之间的任何残余(开孔/多孔)空隙率可以通过填充有对电解质基本上惰性的材料(例如非导电聚合物，如环氧树脂)来减小。

任选地，浸渍材料(对电解质不是惰性的)通过惰性材料屏障受到保护而免于大部分电解质。

任选地，浸渍凸耳材料可以是导电的但对电池电解质(例如pb酸电池电解质)基本上惰性的材料，例如钛。

导电或碳纤维材料具有的厚度(横向于电极的长度和宽度或平面尺寸)可以比电极的平面尺寸或任何平面尺寸小许多倍，例如小约10、20、50或100倍。该厚度例如可以小于约5mm或小于约3mm或小于约2mm或小于约1.5mm或小于约1mm或为约0.2mm。例如，电极的平面长度和宽度尺寸中的每一个可以大于约50或约100mm。这样的电极具有小厚度的平面形式。在优选形式中，电极基本上是平面的，并且沿电极的至少一个边缘距用于外部连接的金属凸耳的尺寸小于约100mm或小于约70mm、或小于约50mm、或为约30mm或更小(具有或不具有横向/大尺度集电器)。作为另外一种选择，这样的平面形状可以形成为例如圆柱形电极。

连续凸耳制造

根据本发明，为了实现多个电极的快速大批量制造，连续纤维材料例如从许多米的材料的卷中展开，连续地运动或至少通过阶梯式运动的方式运动，经过压力注射级，在该压力注射级通过一系列压力注射脉冲将凸耳材料压力浸渍到纤维材料中。多个压力注射脉冲可以将凸耳材料注射到纤维材料的不同相邻部分中，但是沿着凸耳区域形成连续的凸耳。凸耳材料优选地从其被注射到相对表面或侧面的表面或侧面渗透到纤维材料中。通常，纤维材料是片状(平面)形式。本发明的方法可以在不在模具中包含纤维材料的凸耳区域部分的情况下执行。纤维材料的长度可以随后跨越凸耳条带进行切割以形成多个单独的电极元件，每个单独的电极元件具有用于电极元件的外部连接的凸耳。作为另外一种选择，压力注射级可以沿着连续纤维材料的长度移动。本发明的方法可以通过在纤维运动通过压力注射器头部部时施加连续压力注射来执行。

图4示出了纤维材料10的一部分的近视图，其上形成有凸耳条带11。纤维材料10在浸渍期间在注射器头部下方沿箭头a的方向运动，而多个压力注射脉冲在其运动时将熔融的凸耳材料注射到纤维材料中。例如，纤维材料可以在用作散热器的传送器(例如金属传送器，例如拉紧的金属带或旋转鼓)上运动，而多个压力注射脉冲在其运动时将熔融的凸耳材料注射到纤维材料中。材料在注射器头部下方运动的速度、在每个注射器脉冲或注射时注射的熔融凸耳材料的体积、注射器脉冲的持续时间和频率、注射器脉冲之间的持续时间、纤维材料的温度和熔融的凸耳材料的温度，相互协调以使得从每个新的注射器脉冲浸渍到纤维材料中的熔融的凸耳材料在与先前的注射器脉冲处注射的纤维材料中的凸耳材料熔融的同时融合，以形成连续的凸耳条带11。这是受控的过程，以确保不会引入太多的凸耳材料而使得其溢出超出纤维材料的上表面或下表面的极限，或超出纤维材料内的期望路径。

在图4中，沿着凸耳条带11的长度的圆均示意性地表示通过相继的注射器脉冲注射的凸耳材料。已经通过这些相继的脉冲注射的凸耳材料均电气地和/或机械地单独连接和/或联结以提供连续的凸耳条带。该条带很大程度上不受外界环境的影响。为了实现各个相继脉冲之间的这种连接，例如每个压力注射脉冲的持续时间可以在约0.1至约2秒、或约0.1至1秒、或约0.1至约80毫秒、或约0.1至约50毫秒、或约0.1至约30毫秒、或约0.1至约10毫秒的范围内，并且例如注射器脉冲可以以约0.1至约2秒、或约0.1至1秒、或约0.1至约80毫秒、或约0.1至约50毫秒、或约0.1至约30毫秒、或约0.1至约10毫秒的间隔分开，并且纤维材料和压力注射级之间的相对运动速率在约0.01m/s至10m/s、或约0.01m/s至8m/s、或约0.01m/s至5m/s的范围内。在其它实施例中，压力脉冲的速率大于1hz、大于5hz、大于10hz或大于20hz。在其它实施例中，当沿机器方向运动时，每0.1m长度的凸耳区域的一系列脉冲可以在1个脉冲/0.1m至200个脉冲/0.1m的范围内，或在5个脉冲/0.1m至150个脉冲/0.01m的范围内，或在10个脉冲/0.01m至125个脉冲/0.01m的范围内，或在20个脉冲/0.01m至100个脉冲/0.01m之间的范围内，或30个脉冲/0.01m至90个脉冲/0.01m之间的范围内。

当注射的凸耳材料被注射时，其通过传导至散热器传送器而在较大程度上冷却，并且还当其沿机器方向远离注射器头部运动时，其冷却并固化。因此，沿着纤维材料的长度形成浸渍到纤维材料中的连续的实心凸耳条带11。连续的凸耳条带可以例如具有在约2至约150mm的范围内的宽度。凸耳条带可以沿着或靠近纤维材料的一个或两个相对的长(在机器方向上)边缘形成和/或在纤维材料中居中地形成，并且纤维材料的长度不仅横向地切割成单独的电极节段，而且还纵向地切割成单独的电极节段。在还提供的情况下，横向/大尺度集电器例如可以具有在约2至约150mm范围内的宽度。作为示例，相对于纤维材料、散热器传送器和熔融凸耳材料的温度，在纤维材料和带的初始温度为15℃的情况下，于是熔融凸耳材料(如果是pb)的过热可以高于pb的熔点约25℃，但也可以高于熔点高达150℃。

在至少一些实施例中，每个压力注射脉冲的压力在脉冲的末端处或朝向脉冲的末端比在每个脉冲的开始处或朝着每个脉冲的开始更高。在每个注射脉冲下，浸渍到纤维材料中的第一凸耳材料可能开始凝固，因而变得液体较少，如果以相同脉冲注射的凸耳材料的后面部分被压入具有较高压力的材料中，那么将有助于将凸耳材料进一步浸渍到纤维材料中。

图5是通过具有出口孔口13的压力注射器头部部12下方的纤维材料10的示意性横截面图，图6是压力注射级的较大示意性横截面图。每个孔口13可以例如具有用于递送小于或等于1cm³熔融材料的区域。注射器头部可以接触运动通过该注射器头部的纤维材料10的表面，或者如图所示甚至轻微压缩该表面，例如压缩其自由深度的约10-20％，或者从纤维材料的表面上方间隔开例如不超过10mm。通过注射器头部对纤维材料的压缩可以有助于限制熔融的pb过度扩散穿过纤维材料的顶部表面，并且相反有助于熔融的铅进入纤维材料。

图7是在一个实施例中纤维材料10进入和离开压力浸渍级14的示意性平面图。图8是在另一个实施例中纤维材料10进入和离开压力浸渍级14的示意性平面图。纤维材料在机器方向a上运动。在图7的实施例的压力浸渍级14中，沿着纤维材料的一个纵向边缘形成连续的凸耳条带11，另外，间隔开的凸耳延伸部3超过纤维材料的边缘。穿过纤维材料和凸耳条带的虚线表明随后将被切割以形成单个电极元件的位置。在图8的实施例的压力浸渍级14中，沿着纤维材料的两个纵向边缘形成连续的凸耳条带11，另外，可选地间隔开的凸耳延伸部3超过纤维材料的两个边缘。作为另外一种选择，凸耳延伸部可以由单独的切割机(例如冲压机)切割而成，该切割机相对于凸耳成形机协调地或单独地设置。凸耳条带可以进一步经受修剪级以移除任何多余的东西，以形成期望的凸耳尺寸和形状。来自修整和/或附加切割级以形成凸耳延伸部的任何这种修剪的凸耳材料可以被网状系统捕获，该网状系统捕获移除的修剪物并将该修剪物运送回到罐中，以保持熔融金属再次使用。

同样在图8的实施例中，压力注射级形成沿着纤维材料的纵向边缘横向穿过凸耳条带11之间的纤维材料的凸耳条带18。在图7的实施例的变型形式中，这样的横向凸耳条带18可以沿着纵向边缘从边缘凸耳条带延伸到纤维材料的相对边缘，或者部分地穿过纤维材料的宽度。再次参见图8，沿着纤维材料的纵向边缘的凸耳条带11可以由注射级14的最外侧注射孔口(用a和z示意性地表示)形成，凸耳材料通过该最外侧注射孔口接近连续地注射以形成边缘凸耳条带11，而间隔开的横向凸耳条带18可以由之间的多个注射孔口b-y形成，当纤维材料在注射级下方运动时，凸耳材料通过这些注射孔口仅仅周期性地注射。在操作中，全部同时操作相同的持续时间以注射凸耳材料，并且注射孔口b-y彼此间隔开，使得通过每个注射孔口同时浸入纤维材料中的凸耳材料合并并固化以形成横跨纤维材料宽度的固体条带。

图6是压力浸渍级的示意性横截面图。相似的附图标记表示与上述相同的部分。通过孔口13注射到纤维材料10中的熔融金属通过在腔室15内往复运动的活塞而在压力下穿过孔口。将设定体积的凸耳金属注射到纤维材料中的一个活塞行程可以包括注射器的一个“脉冲”。注射器系统可以被布置成增加注射压力，使得进入纤维的金属的注射压力在脉冲的末端处或朝向脉冲的末端比在每个脉冲的开始处或朝向每个脉冲的开始更高。对于图5所示的简单的单阀机构系统，阀的关闭花费循环时间的相当大的一部分，并且熔融金属以降低的速率通过阀漏回，直到其关闭。因此，由于活塞运动，注射器孔口上方的空间中的可用压力随着阀关闭而逐渐增加到最大值。

图13至18示出了凸耳成形机的实施例。在该实施例中，机器包括并排的压力注射器201和202，以在连续纤维材料穿过机器时沿连续纤维材料的相对的纵向边缘形成连续的凸耳。注射器安装在为旋转滚筒500形式的传送器上，这全部由框架203承载。滚筒传送器500的穿过旋转轴线的宽度等于或大于纤维材料的穿过机器方向的宽度，使得滚筒支撑纤维材料的整个宽度。

在操作中，当来自注射器头部201和202的压力注射脉冲沿着任一边缘将凸耳材料浸入纤维材料中以沿着每个边缘形成连续的凸耳时，纤维材料穿过旋转滚筒500和压力注射器头部部201和202之间的间隙。图16是沿着图13的ii-ii线截取的放大示意性垂直横截面图，并且示出了纤维材料100的一部分的近视图，在该部分上形成有凸耳条带101。纤维材料100在浸渍期间在注射器头部下方沿箭头d的方向运动，并且由旋转滚筒支撑，该旋转滚筒也用作用于快速冷却熔融pb的散热器传送器，以使其在离开间隙时快速冷却。

另外，图16以更大的尺度示出了注射器201/202的操作部件。如箭头g所示，注射器活塞207在活塞块体208中的缸210内往复运动，并且在每个向下行程中将熔融的凸耳材料从加热的贮存器209推出，该凸耳材料填充缸210，通过端口211，直到活塞207抵靠阀座212，然后活塞关闭端口211。足部或注射器头部215的下表面弯曲，弯曲的半径匹配滚筒500，使得纤维材料被保持在注射器头部215和滚筒500之间的间隙中，并且可在所述的两者之间被稍微压缩，例如被压缩到纤维材料的自由厚度的约80％。加热器501可以设置在块体208中，以确保块体被保持在不会使熔融材料部分地冷却或冻结在缸或端口中的温度。还参考图18，熔融的凸耳材料从端口211离开，进入设置在注射器头部215中的腔室213。熔融的凸耳材料围绕板214流动，以确保熔融流体均匀地分布到所有注射器出口孔口217，并且从出口孔口217进入纤维材料的一部分并进入与纤维材料相邻的空隙，以形成一起形成凸耳区域的铅和纤维的复合区域以及实心铅区。随着活塞在下一次向下行程之前向上运动，在活塞在下一个注射脉冲向下运动之前，熔融的pb从贮存器209将缸210重新填充。离开孔口217的熔融pb浸渍在注射器202下方通过的纤维材料和相邻空隙，并随着材料离开滚筒500和注射器头部201之间的空间而快速冷却以形成连续的凸耳。该系统需要块体208和注射器头部215和滚筒500的温度控制，以确保熔融铅流在注射/铸造点的下游足够快速地冻结或固化，以便产生对上游熔融铅的屏障，但不会太快地冻结而导致注射/铸造点下面的堵塞。

图19类似于图16，图20类似于图18，但进一步放大，图19和20示出了注射器201/202的替代实施例的操作部件。除非另有说明，否则图19和20中相同的附图标记表示与图16和18相同的部件，其以相同的方式操作。不同之处在于，在图16和18的实施例中，在每个向下行程处在缸210中往复运动的单个注射器活塞207将熔融的凸耳材料推过注射器头部215，以形成铅和纤维的复合区域101以及实心铅区域，在图19和20的双流实施例中，活塞207通过注射器头部215推动熔融凸耳材料的(相对较高的压力)脉冲，以形成铅和纤维的复合区域，并且阀307同时测量通过注射器头部215以形成实心铅区域的较低压力的熔融凸耳材料的连续流。阀307在同一活塞块体208中的腔室310中运动，并沿箭头g'的方向开口，以允许熔融的凸耳材料的较低压力流从加热的同一贮存器209通过端口311进入设置在注射器头部215中的腔室313，然后从出口孔口317b进入与纤维材料100相邻的空隙中以形成实心铅区域，同时由往复活塞207通过端口211驱动的熔融凸耳材料从出口孔口317a流入到纤维材料的一部分中以形成相邻的铅和纤维复合区域(而不是在图16和18的实施例中的通过孔口217)。离开孔口317a的熔融材料浸渍纤维材料，离开孔口317b的熔融材料填充相邻的空隙，并且熔融材料随着材料离开滚筒500和注射器头部之间的空间而迅速冷却，以沿着纤维材料的边缘形成连续的凸耳和凸耳延伸部。已经发现，在熔融材料为铅的情况下，为了减少注射器孔口的可能的阻塞，可能有利的是铅包括较小比例的sn，使得熔融材料包括pb-sn合金。低压和高压流与纤维材料的行进速度同步，以将正确体积的铅同时输送到纤维材料的边缘区域101和相邻的空隙中以形成实心的凸耳延伸部。该实施例包括：第一压力注射器，其被布置成将凸耳材料浸入到纤维材料的凸耳区域部分中；以及相邻的第二压力注射器，其被布置成将凸耳材料递送到相邻的空隙中，以形成与纤维材料的凸耳区域部分相邻的实心凸耳延伸部。

凸耳成形机可以包括纤维材料进料系统，该纤维材料进料系统将纤维材料吸取通过凸耳成形机，该纤维材料进料系统包括驱动器，该驱动器具体地驱动可选的夹紧辊221在机器方向上经过旋转滚筒的离开侧，该夹紧辊接触正好在任一侧上形成在纤维材料上的连续长度方向的凸耳的相对面。

在替代实施例中，布置成沿着纤维材料的边缘形成凸耳并且还沿着凸耳的边缘或以间隔开的间距连续地形成实心凸耳延伸部，在纤维材料的边缘如上所述已经被浸渍之后，单独地形成的凸耳延伸部可以通过例如超声熔焊或钎焊在一起而附接到凸耳。

以上已经关于形成与纤维材料电极元件的电连接来描述上述实施例。电极元件的纤维材料可以是导电的，例如pb酸电池中的负极或正极所需的，或者可以是不导电的，例如在某些情况下对于pb酸电池中的负极而言。例如，正极可以由已被氧化成氧化的pan纤维(opf)的聚丙烯腈纤维材料(pan)形成，该pan纤维接下来未经过碳化，这将使其是导电的。本发明还可以用于与不是电极元件的纤维材料形成电连接，或者甚至更一般地用于将也不是导电的第一材料浸渍到纤维材料中而不用于形成与纤维材料的电连接，而是用于其它工业目的，例如用于加强和/或建筑目的。

电池或电芯构造

如上所述，形成在纤维材料电极上的凸耳还可以包括如前所述的横向/大尺度集电器(例如参见图1中的52)，其形成方式与凸耳相同，即通过压力浸渍到纤维材料中，如上所述。这种横向/大尺度集电器可以从凸耳区域相对于凸耳区域以任何角度延伸穿过并延伸到电极区域内的任何位置，以便除了通过凸耳的碳纤维材料本身的微尺度通路之外还提供从碳纤维到金属凸耳的附加大尺度电流收集通路。虽然涉及这样的横向/大尺寸集电器，但也可以认为是凸耳的一部分，该凸耳部分穿过材料而不仅仅沿着一个或多个边缘通过/浸渍。作为另外一种选择或除此之外，形成在如上所述的纤维材料电极上的凸耳还可以在纤维材料的一侧或两侧上包括导电地附接到电极材料和凸耳的金属线材或带，以便除了通过凸耳的碳纤维材料本身的微尺度通路之外还提供从碳纤维到金属凸耳的额外的横向/大尺度电流收集通路。金属线材或带可以例如通过用不会溶解在电池电解质中的线进行缝合或缝制或者通过将集电器保持就位的其它惰性pb酸电池粘合材料(例如树脂、水泥或灌封混合物)而附接到纤维材料。金属线材或带可以在制造过程中被压入到纤维材料中。作为另外一种选择，线材或带或类似物可以钎焊到或印刷在纤维材料上。金属线材或带可以在纤维材料的一侧或两侧上以弯曲的形状布置，在电极的一个边缘(在该边缘处，线材或带通过嵌入到凸耳中而导电地连接到凸耳)处的凸耳以及在电极的另一个间隔开的边缘处或朝向该另一个间隔开的边缘的凸耳之间连续延伸。作为另外一种选择，线材或带可以沿着电极的相对边缘或沿着围绕电极的框架在金属凸耳之间延伸。作为另外一种选择，线材或带的分开的长度可以从一个边缘处的凸耳延伸到电极的另一个边缘或朝向另一个边缘延伸，或者替代地，所描述的线材或带大导体可以包括附接在纤维材料的一侧或两侧上的金属网。线材或带或网的端部可以终止并嵌入凸耳中。重要的是，当集电器位于用作负极的电极的外表面上时，集电器被保护免受来自正极的阳极氧化。优选地，线材或带在电极的宽度上以相等的间距跨越电极的长度上下延伸，而没有任何交叉点，以防止局部热点发生或特定区域的热积聚，在整个电极上具有均匀的电流收集。优选地，线材或带或网或相似的横向/大尺度电流收集系统的体积小于电极的体积(不包括凸耳或周围的金属框架或类似物)的约15％。

通常在电池或电芯构造期间，纤维材料用浆料浸渍，其中在优选的形式中，该浆料包括pb和pbo的pb和pbo颗粒以及流体的混合物。在一些实施例中，流体是水、酸或醇。优选地，酸是稀硫酸。优选地，醇是乙醇。作为另外一种选择，浆料可以包括硫酸铅(pbso4)颗粒和稀硫酸。在一些实施例中，电极所浸渍的浆料包括稀硫酸，该稀硫酸按重量计包含大于0％至约6％之间、或0.25％至约5％之间、或0.25％至约4.5％之间、或1％至约4％之间、或1％至约3.5％之间、或0％至约2％之间、或0.5至2.5％之间的硫酸浆料。pb基颗粒可以包括可以具有10微米或更小的平均尺寸的碾磨或化学形成的颗粒，其尺寸足够小以容易地配合在纤维之间的空间中。浆料或活性材料可以填充碳纤维电极直至凸耳，使得活性材料接触或邻接纤维进入凸耳并且直接电连接到凸耳处的凸耳，不仅在纤维材料的任一侧的表面上，还通过纤维材料的厚度，并且沿着该边界处的凸耳材料和非凸耳材料浸渍的纤维材料之间的边界的大部分或基本上所有长度，或者可以不到达凸耳，使得在浆料和凸耳之间存在小的间隙，例如最多约5mm的间隙。在优选实施例中，如上所述，形成有凸耳，以便使得诸如pb突起的凸耳的突起进入活性材料中，该活性材料浸渍到碳纤维材料中。

如所述，优选地，活性材料中pb颗粒的表面与体积比例比凸耳区域中的凸耳材料的表面与体积比例大至少约3倍、或优选约5倍、或优选约10倍、或优选约20倍。优选地，活性材料中pb颗粒的表面与体积比例大于约2m²/cm³或大于约1m²/cm³，并且凸耳区域中的凸耳材料的表面与体积比例小于约0.05m²/cm³。已被注射到纤维层中以在进入时冷却的熔融凸耳材料相关联的表面有可能类似于将要冷却的纤维的表面积或更小。例如，对于1m²的表面积，碳毡具有的纤维的圆柱形表面的面积可以等于每毫米厚度大约20m²，相当于每cm³毡总体积0.02m²。因此，在该纤维网络周围流动的熔融铅将(通过首先冷冻至冷纤维上)形成铅结构，该铅结构具有的分支的直径大于纤维的直径，即这种铅载毡的分支的直径可以从10微米增加到约15至20微米，表面积可能为每立方厘米0.01平方米(对于较高的体积分数浸渍，这些分支将合并，表面将进一步降低)。可以将这些表面积与铅酸电池的负极内的正常活性物质的表面积进行比较。含铅活性质量块分为输送电流(其在充放电循环期间不易于电化学变化)的铅骨架以及易于改变并且实际上产生电池的工作电流的更精细的质量块。更精细的“高能活性材料”可以具有约0.3微米直径的分支。骨架可能与上述部分浸渍形成的分支非常相似，具有可忽略的电化学侵蚀。然而，精细电化学活性材料的表面积可能具有(20)/0.3)＝70倍的每单位体积铅的表面积，因此几乎全部发生化学侵蚀。在大多数负极中，精细材料与粗骨架材料之间的分割约为50/50％。

一般性描述

在通常为铅酸电池的电池中，一个或多个正极和/或一个或多个负极可以根据本发明的方法形成有凸耳。优选地，集电器材料及其纤维是柔性的，这将有助于在电池循环期间容纳附接到集电器材料的活性材料的体积变化，并且微尺度纤维还可以增强活性材料，这两者有助于在使用中减少活性材料从电极断开(“脱落”)。

在优选实施例中，电极纤维可以固有地是导电的，而不需要涂覆有更导电的材料(例如金属)以增加导电性，并且电极纤维可以是碳纤维，在一些实施例中碳纤维可以被处理以增加导电性。在其它实施例中，电极纤维可以是导电性较差的材料，其纤维涂覆有导电的或更具导电性的涂层。在一些实施例中，集电器材料的纤维可以涂覆有pb或pb基材料。例如，可以用pb涂覆一个或多个负极，并用pb涂覆正极，然后在其上涂覆pbo2。

集电器材料可以是织造材料、针织材料或非织造材料，例如毡或流体水力缠结材料。材料可以包括在材料的主平面中延伸的细丝，每个细丝由多个纤维组成，可选地，连接线横向延伸穿过细丝以机械连接细丝。材料的平均深度可以为至少0.2毫米或至少1毫米。纤维的至少大部分具有小于约20微米或小于约10微米的平均纤维直径。

在一些实施例中，纤维材料可以是已经在升高的温度下(例如在1000至4000℃的范围内)进行热处理的碳纤维材料。在一些实施例中，纤维材料可以是已经通过电弧放电处理的碳纤维材料。碳纤维材料可以通过使碳纤维材料在反应室内运动通过在电极的一侧上包括多个相邻电极的电极之间的间隙中的电弧或者通过多个相邻的电极而进行电弧处理，使得电弧存在于每个电极和材料之间。

在一些实施例中，纤维材料可以是碳纤维材料，例如pan纤维，其接下来在250至600℃的温度下被氧化以提供不导电的opf。这种纤维材料可以用作电极元件。

在一些实施例中，纤维材料可以是毡或其它非织造平面电极材料，通过在平面中分割较厚的材料而产生非常小的厚度，例如2.5mm或更小的厚度。也就是，材料可以在其平面中切割一次或多次以将较厚的非织造材料分成多个片材，这些片材具有类似长度和宽度，但是减小了起始片材的厚度。

实验

实例1和2：

支撑在钢带上的一层碳毡在固定的钢头部下方被进给，该固定钢头部具有一个或多个穿过它的竖直孔。如图3至5所示，熔融的铅保持在这些孔的上方，并且可以在下方通过时穿过这些孔而通到毡上。将3l的铅在圆柱形容器中加热，使得铅温度可以保持在高于铅熔化温度1℃以内的期望温度。阀位于铅槽和孔之间，可以打开和关闭，以允许短脉冲的铅通过它们(对于一个孔的情况，参见图4)。该阀的头部接触匹配座以封闭流动，并且可以通过穿过铅槽的杆的轴向运动从设备的顶部升高和降低。杆沿着其长度由三个轴承相对于阀保持居中，并且在其顶部处附接到反向机构，该反向机构允许阀在机构的每次旋转中短暂地打开一次。机构的频率可以调节，打开的持续时间也可以调节。该机构由具有大约50hz的推挽周期的最大频率的机器供电。杆的顶部被压缩弹簧压住，但在朝向机器的运动的顶部时在一位置处提升以打开阀，该位置可以通过在其两端具有沿相反方向螺纹的单个间隔件来调节。

实施例1：使用直径为0.5mm的简单单个孔口，注射到2.5mm厚的电弧处理毡层中，其中碳的体积分数为4.2％(每单位面积的碳质量为180g/m²)。在这种情况下，反向机构是夹具，该夹具以50hz进行操作，使得每秒50个短脉冲的铅穿过毡。毡以40mm/s的速率前进，并在其在下方通过时通过头部被压缩。通过注射形成的铅复合物的厚度为1.3mm。图9a和9b是其中形成有pb凸耳条带的碳纤维毡的一部分的上侧和下侧的图像。它们显示穿过毡的铅浸渍的路径，首先(a)从孔口的侧面观察，第二(b)从下侧观察。毡被带在钢带上，在钢带上铅被注射到毡中之前钢带处于室温下。因此，带从下侧冷却毡。从图中可以看出，铅在路径的整个可见范围内穿透毡，连续的脉冲连接在一起。

示例2：该示例示出了多个注射端口的使用。在头部中形成3个孔，每个孔的直径为0.5mm，以允许从每个孔的铅脉冲流动。毡的进给速度为40mm/s，脉冲重复率为50hz。在这些条件下，所有孔的注射也与其紧挨着的注射接合良好，进行更宽的注射，在使用的条件下为约20mm宽，厚度为1.3mm。通过减去碳的体积(从已知体积/m²估计)和铅的体积(从铅的质量和铅的密度估计)，切出小面积的路径并测量尺寸和质量，以计算出空隙率。图10a和10b是pb凸耳的一部分的下侧和顶侧的图像。该样品的空隙率为12±2％。在图10b中，顶部表面图像的浅轮廓间隔开略小于1mm，表明连续注射已经聚到一起(预期间距40/50＝0.8mm)。样品的顶部没有碳。浸渍后，薄的碳层保留在轨道的顶部上，但容易例如通过轻轻刮擦而除去。在浸渍期间，毡内的任何松散的小块碳看起来都上升到顶部，这是在处理样品之前观察到的。图11是形成在碳纤维毡上的pb凸耳条带的一部分的下侧的sem图像，从中可以看出，pb已经完全浸渍通过碳纤维材料。

脉冲流动的驱动力最初被认为是部分地由孔口处的铅的静态头部提供。在上述实例中，在铅槽上方没有施加压力，因此这种静态头部是高度为300mm的铅的静态头部，即33kpa。然而，当阀在没有脉动阀的情况下打开时，铅进入毛毡的渗透可以忽略不计。当阀的打开时段增加到超过全周期的约10％时，也没有观察到额外的进入毡的流动。因此，在这些静态头部条件下，显著的有效浸渍压力似乎来自阀头的泵送作用。然后对阀运动期间的流体流动进行分析。从这个分析，头部朝向关闭的向下运动增加了孔口上方的压力。考虑到通过阀的闭合环形密封部分(参见图6)的反向泄漏，并且使用注射孔口和(一个动能头的)环形密封区域两端的湍流压降，可以估计关闭部分期间的压力轮廓和注射速度。该模型显示，在每个脉冲结束时产生数十巴的压力。这种产生的压力在注射孔口和快速充填毡上都下降。预期在大气中的总压降的很大一部分是穿过部分填充的毡，因此该高压在充分填充毡并实现小的剩余空隙率方面是有效的。

图12a是通过形成在碳纤维毡上的pb凸耳条带(单独)切割的sem图像，图12b是比图12a具有更高放大倍数的sem图像，从中可以看出，pb已经浸渍在单独的纤维周围和之间。这显示出低的空隙率。

前述内容描述了本发明，包括其优选形式，并且对于本领域技术人员显而易见的改变和修改旨在并入如所附权利要求中所限定的本发明的范围内。