用于形成到传导性纤维电极的电气连接的方法以及这样形成的电极的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于形成到传导性纤维电极(诸如电池组或电池的传导性纤维电极)的电气连接的改进方法，并且涉及这样形成的电极。
【背景技术】
[0002]在包括一个或多个碳纤维电极的铅-酸电池组或电池中，在碳纤维电极材料与到外部电路的连接器或接线柱(在本文中一般被称为接线柱)之间需要非常低的电阻和机械耐久的连接。这会是难以实现的，尤其是当碳纤维电极材料具有小于100微米的纤维间间距时，其原因包括碳从它的表面强烈排斥金属和/或需要克服表面张力来使得接线柱金属在碳纤维之间渗透(纤维间或纤维内，即，纤维内是指，如果碳纤维是复丝的话，在单根纤维的细丝之间)。
[0003]作为防止电池组电解液随后进入接线柱到纤维连接并恶化连接的一种方式，在纤维之间实现高渗透以便最小化接线柱连接的接线柱材料与纤维之间剩余的空隙度也是重要的。
[0004]美国专利3926674公开了用于通过熔化铅注入在玻璃纤维的电池组电极上制造电气连接元件的方法。
【发明内容】
[0005]广义地讲，一方面，本发明包括形成到导电纤维材料电极元件的电气连接的方法，其中电极元件具有小于大约100微米的平均纤维间间距，该方法包括把导电接线柱材料压力浸渍到纤维材料的接线柱区部分中，以便包围和/或渗透纤维材料的纤维并且在所述接线柱区中形成到纤维材料的电气连接并且为电极元件的外部连接提供接线柱。
[0006]广义地讲，另一方面，本发明包括具有小于大约100微米的平均纤维间间距的导电纤维材料电极元件，该电极元件包括被压力浸渍到纤维材料的接线柱区部分中并且包围和/或渗透纤维并且形成到所述接线柱区中纤维材料的电气连接并且为电极元件的外部连接提供接线柱的导电接线柱材料。
[0007]广义地讲，另一方面，本发明包括铅酸电池组或电池的电极，或者包括至少一个电极的铅酸电池组或电池，包括具有小于大约100微米的平均纤维间间距的导电纤维材料，电极包括有源区域和在接线柱区中作为到电极的连接器的传导性元件，其中，当电池组或电池大约10%充电/90%放电时，该连接的电阻比有源区域(当完全充电时)的电阻小至少 10%。
[0008]广义地讲，另一方面，本发明包括铅酸电池组或电池的电极，或者包括至少一个电极的铅酸电池组或电池，包括具有小于大约100微米的平均纤维间间距的导电纤维材料，电极包括有源区域和在接线柱区中作为到电极的连接器的传导性接线柱元件，其中，在纤维材料的接线柱区部分中，接线柱材料包围和/或渗透并电连接到纤维。
[0009]广义地讲，另一方面，本发明包括铅酸电池组或电池的电极，或者包括至少一个电极的铅酸电池组或电池，包括在所述电极的有源区域和作为到电极的连接器的接线柱区之间延伸的导电材料的3维矩阵，其中，在传导性材料的接线柱区部分中，接线柱材料包围和/或渗透并电连接到传导性材料并且与有源区域中的空隙度相比而言减小空隙度。
[0010]在一些实施例中，当电池组完全放电时的接线柱连接的电阻比有源区域的电阻至少低10%。
[0011]广义地讲，另一方面，本发明包括铅酸电池组或电池的电极，或者包括至少一个电极的铅酸电池组或电池，包括在所述电极的有源区域和作为到电极的连接器的接线柱区之间延伸的导电材料的3维矩阵，其中，在传导性材料的接线柱区部分中，接线柱材料包围和/或渗透并电连接到传导性材料并且与有源区域中的空隙度相比而言减小空隙度。
[0012]在一些实施例中，传导性材料与接线柱之间的共同电阻小于或者大约等于沿有源区域的电阻。
[0013]通常，传导性纤维材料是非金属的传导性材料，诸如碳纤维材料，诸如非机织的，就像黏结的碳纤维材料，或者编织或机织的碳纤维材料。材料具有小于大约100微米的平均纤维间间距并且在一些实施例中小于大约50微米、小于大约20微米、或者小于大约10微米。
[0014]在一些实施例中，浸渍材料在纤维的至少大约30%、至少大约40%、至少大约50%、至少大约70%、至少大约80%或者至少大约95%或者至少大约98%或者至少大约99%之间浸渍。
[0015]在一些实施例中，纤维材料中的纤维间空隙度(由材料外部维度定义的总体积中不被纤维占用的一部分-在未浸渍的材料中)减少至少大约50%、至少大约70%、至少大约80%或者至少大约95%或者至少大约98%或者至少大约99%。
[0016]在一些实施例中，传导性纤维材料的纤维是复丝纤维并且浸渍接线柱材料还在细丝之间渗透，从而也减小纤维内空隙度。在一些实施例中，纤维内空隙度也减小至未浸渍纤维材料中纤维间空隙度的大约40 %、大约30 %、大约25 %、大约20 %或者减小至大约10 %、大约5%、大约1%。
[0017]广义地讲，另一方面，本发明包括铅酸电池组或电池的电极，或者包括至少一个电极的铅酸电池组或电池，包括导电材料，包括在所述电极的有源区域和作为到电极的连接器的接线柱区之间延伸的导电材料的矩阵，其中，在传导性材料的接线柱区部分中，接线柱材料包围和/或渗透并电连接到传导性材料，使得接线柱区(在至少电极的大部分之上)具有小于大约30%的空隙度(这是在铅和传导性纤维之间被孔隙占用的一部分体积)。
[0018]广义地讲，另一方面，本发明包括包含至少一个电极的铅酸电池组或电池，包括作为电流收集器的传导性纤维材料，在纤维材料的接线柱区部分中包括包围和/或渗透纤维并形成到所述接线柱区中纤维材料的电气连接并且为电极元件的外部连接提供接线柱的导电接线柱材料，并且在除所述接线柱区之外的传导性纤维材料的至少一部分中包括活性材料，并且其中活性材料中Pb粒子的表面积与体积之比是接线柱区中接线柱材料的表面积与体积之比的至少大约3倍大。
[0019]优选地，活性材料中Pb粒子的表面积与体积之比是接线柱区中接线柱材料的表面积与体积之比的至少大约5倍大或者至少大约10倍大、至少大约20倍大。
[0020]优选地，活性材料中Pb粒子的表面积与体积之比大于大约2m2/cm3并且接线柱区中接线柱材料的表面积与体积之比小于大约0.5m2/cm3，或者活性材料中Pb粒子的表面积与体积之比大于大约ImVcm3并且接线柱区中接线柱材料的表面积与体积之比小于大约0.5m2/cm3o
[0021]在采用本发明电极的电池或电池组的至少一些实施例中，接线柱区中接线柱材料的低表面积与体积之比会是期望的，以防止接线柱材料(诸如像Pb)在放电过程中充分反应成例如PbSO4。
[0022]广义地讲，另一方面，本发明包括包含至少一个电极的铅酸电池组或电池，包括作为电流收集器的传导性纤维材料，在纤维材料的接线柱区部分中包括包围和/或渗透纤维并形成到所述接线柱区中纤维材料的电气连接并且为电极元件的外部连接提供接线柱的导电接线柱材料，并且在除所述接线柱区之外的传导性纤维材料的至少一部分中包括活性材料，并且其中活性材料在纤维进入接线柱的地方接触接线柱并且直接电连接到接线柱。
[0023]优选地，活性材料在纤维进入接线柱的地方接触接线柱并且通过纤维材料的厚度直接电连接到接线柱，并且优选地还沿着接线柱材料与非接线柱材料之间边界的大部分或基本上整个长度，其中非接线柱材料在这个边界浸渍纤维材料。
[0024]压力浸渍接线柱形成
[0025]广义地讲，另一方面，本发明包括用于形成到具有小于大约250微米的平均纤维间间距的导电纤维材料电极元件的电气连接的方法，包括把导电接线柱材料压力浸渍到纤维材料的接线柱区部分中，以包围和/或渗透纤维并形成到所述接线柱区中纤维材料的电气连接。
[0026]广义地讲，另一方面，本发明包括具有小于大约100微米的平均纤维间间距的导电纤维材料电极元件，包括被压力浸渍到纤维材料的接线柱区部分中并且包围和/或渗透纤维并且形成到所述接线柱区中纤维材料的电气连接的导电接线柱材料。
[0027]至少一些实施例包括加热接线柱材料并且在熔化时把它压力浸渍到纤维材料中。至少一些实施例包括把纤维材料的接线柱区部分包围或封在模具中，把熔化的接线柱材料压力浸渍到模具中接线柱区中的纤维材料中，并且允许接线柱材料在纤维周围冷却并固化。在至少一些实施例中，把熔化的接线柱材料压力浸渍到纤维材料中包括把熔化的接线柱材料压力浸渍到模具中。在其它实施例中，接线柱材料可以是热塑性或热固性或反应设置传导性聚合物，这些材料随后被压力浸渍到纤维材料中。模具可以包括被带到一起的模具部分，其间有纤维材料，并且模具部分相对于纤维材料的闭合压力或力小于把熔化的接线柱材料浸渍到模具中的压力。在其它实施例中，把熔化的接线柱材料压力浸渍到纤维材料中包括在模具中的接线柱材料和纤维材料上关闭模具，使得模具闭合力把熔化的接线柱材料压力浸渍到纤维材料中。在其它实施例中，闭合模具部分把纤维材料保持在适当位置，以帮助和/或使得熔化的接线柱材料压力浸渍纤维材料。
[0028]在至少一些实施例中，模具包括比模具的非边界或外围部分更热传导(作为替代，被称为热耗散)的边界或外围部分。在其它实施例中，模具包括比模具的非边界或外围部分更凉的边界或外围部分。浸渍材料朝模具的更高热传导或更凉的边界部分流动。在这个边界部分，浸渍材料，包括流入/浸渍到纤维中的浸渍材料，冷却并固化(“凝固”)，以减少或防止更多熔化的浸渍材料流出这个(凝固的)边界部分。因为固化的接线柱边界部分有助于减少熔化的接线柱材料的进一步流动，所以可以需要更少的钳制压力来把熔化的材料容纳在纤维材料的接线柱区中。边界或外围部分可以是接线柱区的整个边界或外围的全部或一部分。模具可以包括被带到一起的两个模具部分，其间有纤维材料，并且因此施加到模具部分之间的区域并且因此相对于纤维材料的闭合压力或力可以小于浸渍材料进入模具腔体或纤维材料的注入压力，因为在这种实施例中，被浸渍的材料是通过模具部分的闭合压力与这种边界固化的组合来容纳的。因此，模具部分之间纤维材料上的闭合压力可以处于不由于挤压而损坏或显著损坏(例如结构性损坏)纤维材料的水平。在一些实施例中，相对于纤维材料的模具闭合力会导致相对于纤维材料的压力，对于例如像碳机织材料的机织或编织材料是小于大约240或大约120巴，或者当纤维材料是诸如像毛毡或碳毛毡材料的非机织物时小于大约40或大约20巴。在其它实施例中，模具部分可以不真正接触纤维材料，因此在接线柱浸渍期间纤维材料上没有(来自模具的)压力。
[0029]在一些实施例中，在至少一侧上的模具部分包括诸如中心区域的区域，该区域具有比更热传导(或耗散)或更凉的边界或外围部分更低的热传导性。在一些实施例中，在至少一侧上的模具部分包括诸如中心区域的区域，该区域具有比更热传导或更凉的边界部分更高的温度，例如被加热。在一些实施例中，模具部分的这种中心区域安装在活塞或类似的物体上，它被布置成移动，以便在注入之后和冷却时向熔化的接线柱材料施力，以增加接线柱材料到纤维材料的渗入。活塞布置还可以在接线柱固化之后从模具排出电极。
[0030]在一些实施例中，模具系统被布置为使熔化的接线柱材料沿纤维材料的边缘进入纤维材料。模具(至少当闭合时)可以限定横向注入间隙，熔化的接线柱材料通过该间隙经由碳纤维材料的所述边缘进入纤维材料。横向注入间隙可以在两个相对的模具部分闭合到一起时在这两个模具部分之间限定。在一些实施例中，模具在熔化的接线柱材料的运动方向中相对于或者在横向注入间隙之上沿横向开口打开，并且超出接线柱区的纤维材料在浸渍期间延伸通过所述横向开口。浸渍纤维材料可以是对于预定的时间和/或预定的接线柱材料量，然后，注入压力终止并且模具中的接线柱材料被允许冷却和固化。在一些实施例中，通过所使用的碳纤维材料的主要平面跨模具腔体的维度小于碳纤维材料该平面中模具的横向维度，诸如大致与纤维材料的厚度相同，以便形成大致与纤维材料一样厚的薄接线柱。
[0031]在一些实施例中，模具也被布置为形成超出纤维材料边缘的(固体接线柱材料的)接线柱延伸。
[0032]在一些实施例中，如果有的话，则接线柱与纤维材料之间的