專利名稱：鉛酸電池電流收集器及鉛酸電池的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種電池，尤其涉及一種汽車用鉛酸電池。
背景技術(shù)：
眾所周知，為汽車所提供的蓄電池是為儲存電能供汽車所用。鉛酸電池、鎳金 屬氫電池、鋰離子電池是三類在電動汽車、混合動力電動汽車和插入式混合動力電動汽 車中具有潛在應用的蓄電池。雖然鋰離子電池具有高比能量(瓦小時/公斤)且巳廣泛 地應用在小型電子裝置上，如手機和筆記本電腦，但是它們的高成本、性能、偏差容許和 循環(huán)壽命阻礙了它們在電動汽車、混合動力電動汽車和插入式混合動力電動汽車中的應 用(見，美國能源部2009年度能量儲存研究和發(fā)展的進展報告).此外基于現(xiàn)今的技術(shù)還 很難回收利用鋰離子電池。雖然鎳金屬氫電池巳在混合動力電動汽車中使用，但它們的 成本高且比能量和電池效率都低。美國能源部的目標是至2014年一輛插入式混合動力電 動汽車的電池應該能夠行駛40英里全電動里程和成本3400美元。鋰基或鎳基電池的現(xiàn) 有成本大約是此成本的3至5倍高(以插入式混合動力電動汽車的千瓦小時為基礎計算) 。鋰基電池的主要成本來自原材料和材料處理的高花費、電池和電池模塊的封裝、及工 廠加工制造。因此需要發(fā)展新技術(shù)去降低鋰基電池的成本。大多數(shù)現(xiàn)有汽車用蓄電池是鉛酸電池，這主要是由于鉛酸電池廉價、高功率、 可靠和98%可回收利用的特性。然而現(xiàn)有商用鉛酸電池的低比能量和短循環(huán)壽命阻礙 了它們應用在電動汽車、混合動力電動汽車和插入式混合動力電動汽車中。如果能很大 地增加鉛酸電池的比能量和循環(huán)壽命，相對于其它類型的可充電電池鉛酸電池應該具有 很大的優(yōu)勢。因此發(fā)展低成本且具有高比能量和長循環(huán)壽命的高級鉛酸電池對于電動汽 車、混合動力電動汽車、插入式混合動力電動汽車及其它應用都是非常誘人的。鉛酸電池巳經(jīng)有一百多年的歷史。大量的有關(guān)其特性的研究巳經(jīng)被做，數(shù)以百 計的論文、專利和報告巳經(jīng)被發(fā)表或發(fā)布。有關(guān)低比能量和短循環(huán)壽命的問題仍然等待 著人們?nèi)ソ鉀Q。眾所周知，低比能量主要源自兩方面。一是笨重的鉛板柵和用于連接極 板及從終端導出和引入電流的頂端鉛。例如，在商用SLI(起動，燈光，點火)鉛酸電池 中，鉛板柵和頂端鉛的重量大約占電池總重量的27%，而活性材料的重量僅占電池總重 量的大約 36% (Handbook of Batteries 3rd edition, p23.17, McGraw-Hill)。減少鉛板柵和頂 端鉛的重量能增加電池中活性材料的重量比率，從而增加電池的比能量。二是活性材料 的低利用率。在現(xiàn)今的SLI鉛酸電池中，活性材料的利用率大約是25%到35%。這樣的 低利用率主要是由板柵的結(jié)構(gòu)所決定[Electrochemical Power Source, Μ. Barak, ρρ196, (The Institution of Electrical Engineers, London, 1980)]。而短循環(huán)壽命主要源自正板柵的腐蝕和 板極的硫化，特別是負板柵硫化直接導致電池的失效。近十年來，人們在有關(guān)減少鉛酸電池板柵重量和改善它們的防腐能力方面已經(jīng) 做了很多工作。一種方法是使用輕金屬如鋁、銅、鐵、鈦或者它們的合金作為芯，而其 由鉛薄膜或鉛箔層所覆蓋。早期的工作曾由Henry Walker所做，其巳被表明在美國專利U.S. PatentNo. 3,884,716里，在這一工作里，鋁被作為芯，其被鍍上一鉛層，而在鋁與 鉛層之間還加進了一或多層簿金屬粘合層。John Timmons等在美國專利U.S. Patent No. 6,447,954 里、Ramesh Bhardwaj 等在美國專利 U.S. Patent No. 6,586,136 和 U.S. Patent No. 6,566,010里表明了同類型的工作。John Timmons等在美國專利U.S. Patent No. 6,316,148 里也表明了由鋁或其它金屬與鉛箔一起經(jīng)直接壓封形成板柵。Yolshina等(Journal of Power Sources 78, 84 (1999))曾直接在鋁和鋁合金表面上沉積鉛層作為板柵。Lun-ShuYeh 等在美國專利U.S.PatentN0. 4,683,648里表明了由在鈦芯上鍍鉛層形成板柵。在美國專利 U.S.Patent No. 5,339,873 和 U.S. Patent No. 5,544,681 里 Robert Feldstein 利用鈦作為芯，借 助離子注入方法沉積鉛層在鈦芯上。然而，在非常有限的循環(huán)次數(shù)后，硫酸能穿透這薄 的鉛覆蓋層從而攻擊金屬芯。除了上述使用輕金屬作為板柵或板襯底外，在聚合物、玻璃纖維和碳上覆蓋 鉛或鉛合金巳經(jīng)被用來構(gòu)造鉛酸電池的板柵或極板。Richard Hammar等在美國專利 U.S.Patent No. 4,221,854中描述了一輕的板柵，其由層壓鉛箔在聚合物襯底上所構(gòu)成。 Kensaku Tsuchida等在美國專利U.S.Patent No.6,232,017中表明利用聚酰胺玻璃纖維覆蓋 薄鉛層來構(gòu)造復合板柵。一些小組巳經(jīng)研究了由鉛或鉛合金覆蓋的輕的碳/石墨板柵或 極板；例如，Elod Gyenge 等(Journal of Power Source 113, 388 (2003))禾Π Kaushik Das 等 (Journal of Power Source 89, 112 (2000))。所覆蓋鉛層的腐蝕問題類似于在金屬芯上覆蓋 鉛層的問題。被腐蝕的薄鉛層電阻很大，從而大大地降低電池的性能。B. Hariprakash等 (Journal of Power Source 173, 565 (2007))曾報道在他們的研究里在鉛層上由電沉積再加 上一防腐和導電的聚苯胺層；然而，他們發(fā)現(xiàn)活性材料與導電聚合物之間的粘合很弱，在 30次循環(huán)后由于活性材料的脫落，電池容量迅速減少。Rongrong Chen等在美國專利U.S. PatentNo. 6,617,071中也建議了在板柵表面涂上導電聚合物以減少鉛金屬部件的腐蝕。除 了活性材料與導電聚合物之間的粘合很弱之外，導電聚合物非常昂貴。利用石墨泡沫作為鉛酸電池的電荷收集器巳經(jīng)廣泛地被研究，其能大量地減少 鉛酸電池的重量。Kurtis Chad Kelley等在美國專利U.S. PatentNo. 6,979,513中描述了利用 碳泡沫制作鉛酸電池極板的方法。然而，Young-Il. Jang等(Journal of Power Source 161, 1392-1399 (2006))對鉛酸電池所用碳泡沫電荷收集器的電化學穩(wěn)定性的測試表明，在正 極的電壓范圍內(nèi)石墨泡沫的電化學性是不穩(wěn)定的，這是由于硫酸插入進了石墨層，因此 石墨泡沫是不適合使用作為鉛酸電池正極的電荷收集器。Young-Il. Jang等也表明活性材 料與石墨泡沫之間的結(jié)合微弱，且這種電池的循環(huán)表現(xiàn)差，其放電容量在第一次循環(huán)只是 可用鉛的大約25%,且在第二次循環(huán)被減少了一半。導電金屬氧化物巳經(jīng)被考慮作為防腐層。John Rowlette在美國專利U.S. Patent No. 5,334,464和U.S. Patent No. 5,643,696中描述了由在鉛層上加一 SnO2層來保護鉛，使其 免遭腐蝕。Naum Pinsky 等在美國專利 U.S. Patent No. 4,787,125 和 Maurice Fitzgerald 等在 美國專利U.S. Patent No. 4,708,918中也報告了使用錫氧化物作為導電和防腐層。然而， Wen-Hong Kao (Journal of Power Source 70, 8-15 (1998))在稍后的研究中揭示在正電勢下 SnO2長時間處于酸中，由于底價錫的轉(zhuǎn)化和摻雜的失去，將導致鈍化作用。Wen-Hang Kao曾研究過120種不同陶瓷材料的化學和電化學穩(wěn)定性，他發(fā)現(xiàn)僅Ti、Nb和Ta的硅化 物是可接受的被使用在鉛酸電池中。然而，Wen-Hong Kao也發(fā)現(xiàn)這些材料與活性材料的相互作用/粘合非常弱,活性材料固化后從襯底上脫落。為改善活性材料的粘合問題，一 些方法曾被嘗試，但改善很有限。雖然Wen-Hong Kao發(fā)現(xiàn)TiOx溶解或分解在硫酸中，但是其它人研究表明鈦的亞 氧化物(TixOy)是好的防腐材料。然而，正如上面所概述，活性材料與陶瓷TixOy襯底的弱 粘合是一嚴重問題。A. C. Loyns 等(Journal of Power Sources 144, 329-337 (2005))曾為活 性材料的粘合設計了一種特殊的雙向極化結(jié)構(gòu)。在這一結(jié)構(gòu)中鈦亞氧化物的復合材料被 夾在兩鉛合金薄片之間，而活性材料由常規(guī)的鉛/鉛合金板柵所支撐。這樣的極板很重, 且鉛板柵腐蝕可能象常規(guī)鉛酸電池一樣損壞板柵。因此提供一種新的電流收集器和鉛酸電池為汽車所用是人們所期望的。提供具 有相對低的成本、高比能量和長循環(huán)壽命的電流收集器和鉛酸電池也是人們所期望的。 而提供具有改進力學性質(zhì)的電流收集器和鉛酸電池是人們更進一步所期望的。因此提供 至少滿足這些期望之一的電流收集器和鉛酸電池是有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是為電動汽車、混合動力電動汽車、插入式混合動力電動汽 車及其它應用提供新型鉛酸電池。本發(fā)明的另一目的是提供一種低成本、高比能量和長循環(huán)壽命的新型鉛酸電 池。本發(fā)明提供的這種鉛酸電池電流收集器，其包含聚合物成員和夾在聚合物成 員之間的金屬薄片。本發(fā)明提供的鉛酸電池是由上述鉛酸電池電流收集器形成的。本發(fā)明的優(yōu)點之一是提供一種低成本、高比能量和長循環(huán)壽命的新型鉛酸電 池。低成本意味覺這種鉛酸電池的總成本以每瓦小時美元計(美元/瓦小時)接近于現(xiàn) 今商用鉛酸電池的成本，其應該滿足美國能源部為插入式混合動力電動汽車電池所設置 的成本(3400美元，至2014年)要求。本發(fā)明的另一優(yōu)點是這種鉛酸電池的電流收集 器采用了價格低廉的材料和采用了低成本的加工及制造電流收集器和電池的方法。高比 能量意味覺本發(fā)明的這種鉛酸電池的比能量比現(xiàn)今商用鉛酸電池的比能量要高(兩至參 倍)。本發(fā)明另外的優(yōu)點是，這種鉛酸電池所具有的聚合物_金屬電流收集器增加了活性 材料在電池中的相對重量比率。本發(fā)明活性材料在電池中的重量比率能達到約55%,而 現(xiàn)今商用SLI鉛酸電池的比率約為36%。本發(fā)明也優(yōu)化了電流收集器與活性材料之間的 界面面積相對活性材料的體積的比率，這一優(yōu)化大大增加了活性材料的利用率，從而大大 增加了比能量。本發(fā)明還有另外的優(yōu)點是，活性材料的利用率能達到約70%,而現(xiàn)今商用 SLI鉛酸電池的的活性材料利用率只有大約30%。因此，本發(fā)明中活性材料的重量比和 利用率都大增，由此大大地增加了電池的比能量。長循環(huán)壽命意味覺，本發(fā)明的鉛酸電池 的循環(huán)壽命比現(xiàn)今商用鉛酸電池的循環(huán)壽命要長得多。為在電流收集器與活性材料之間 取得好的粘合，利用了在電流收集器上的特殊鍵合層。本發(fā)明的進一步的優(yōu)點是沒有正的 板柵腐蝕和負的板柵硫化。這樣的腐蝕和硫化大大地縮短了現(xiàn)今商用鉛酸電池的循環(huán)壽 命。電流收集器的結(jié)構(gòu)能很好地握住活性材料，這比傳統(tǒng)的鉛酸電池要好得多。在傳統(tǒng) 的鉛酸電池中，敞開的板柵結(jié)構(gòu)使得活性材料容易從板柵上脫落。本發(fā)明的另一進一步的優(yōu)點是所有極板都由聚合物粘合劑或熱聚合物粘合膠直接固定到聚合物外殼上。因此， 這些電池具有非常好的力學特性。本發(fā)明還有一進一步的優(yōu)點是電流收集器的結(jié)構(gòu)和電 流收集器與活性材料的很好粘合使得這種鉛酸電池具有良好的抗振動損壞能力。這些力 學特性對于在電動汽車、混合動力電動汽車和插入式混合動力電動汽車中的應用是重要 的。本發(fā)明仍然還有一進一步的優(yōu)點是板柵/電流收集器與活性材料的接觸面積相對活 性材料體積的比率被最大化，這使得本發(fā)明的電池充電比現(xiàn)今商用鉛酸電池快得多。在閱讀了所附圖及相應的描述后，將更容易地理解本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu) 點ο


圖la、圖lb、圖Ic和圖Id是本發(fā)明的電流收集器的肆種具體結(jié)構(gòu)的前視圖。圖Ie和圖If是圖Id的側(cè)切面圖，它們分別表明了終端板極和中間板極的構(gòu)型。圖2a和圖2b是本發(fā)明電流收集器中終端電極板的不同涂層構(gòu)型的側(cè)視圖。圖2c和圖2d是本發(fā)明電流收集器中中間電極板的不同涂層構(gòu)型的側(cè)視圖。圖3a和圖3b分別是本發(fā)明所描述的帶有不同粘合復合材料的正極板的粘合層的 前視圖。圖4a反映了本發(fā)明電池的單極化構(gòu)型。圖4b反映了本發(fā)明電池的雙極化構(gòu)型。圖5反映了本發(fā)明單極化電池在不同充電時間后的放電特性。圖6描述了本發(fā)明雙極化電池在不同充電時間后的放電特性。
具體實施例方式以下根據(jù)附圖對本發(fā)明做出詳細的描述圖Ia至Id表明了本發(fā)明所述鉛酸電池 電流收集器的四種具體板柵。正如圖中所描繪，作為中間電極板的電流收集器包括了兩聚 合物板柵10和夾在兩聚合物板柵10之間的金屬薄片11。而作為終端電極板的電流收集 器，包括了一聚合物板柵10、一聚合物板12和夾在聚合物板柵10與聚合物板12之間的 金屬薄片11。板柵10可以是不同的結(jié)構(gòu)。圖la、圖lb、圖Ic和圖Id描繪了四種具體 板柵結(jié)構(gòu)13、14、15和16,它們分別具有園圈、鉆石、蜂窩和矩形花樣。在圖Id里用虛 線包圍的面積表示夾在兩聚合物板柵10之間的金屬薄片11的尺寸。圖Ie和圖If是圖 Id分別作為終端電極板構(gòu)型17和中間電極板構(gòu)型18的側(cè)截面圖。按照本發(fā)明，板柵10支撐活性材料。板柵10由特輕的聚合物制得。許多抗 硫酸腐蝕的聚合物可以被選擇作為板柵材料，例如，便宜的聚碳酸酯(polycarbonates)、 丙烯腈丁二烯苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene)、聚乙烯(polyethylene)和聚氯乙烯 (polyvinyl chloride)。金屬薄片11被用作傳輸電流和勻等化電池中的溫度。薄片11可以 是任何金屬或合金，例如鋁和它的合金、銅和它的合金、鎳和它的合金、鈦和它的合金、 鐵和它的合金。然而，鋁是較好的選擇，因為它比其它金屬和合金都要便宜和輕。薄片 11的厚度可以是幾個微米至大約幾百個微米。對于終端電極板17,金屬薄片11可以是非 常薄。但對于中間電極板18，由于要在薄片11的兩邊都涂上防腐層，因此要求金屬薄片 11具有適當?shù)牧W強度。金屬薄片較合適的厚度大約10微米至200微米左右。
各種各樣的聚合物處理技術(shù)，例如噴射模塑法、澆注和類似方法，可以用于加 工和制造聚合物-金屬電流收集器。處理技術(shù)的選擇可能依賴于聚合物的類型。這里應 該指出，這些技術(shù)是傳統(tǒng)的和成本低廉的。板柵的網(wǎng)格尺寸可以被優(yōu)化，以獲得最佳的電池性能。減小板柵網(wǎng)格的尺寸，將 增加板柵網(wǎng)格與活性材料之間界面面積相對活性材料體積的比率，由此增加活性材料的 利用率、縮短充電時間和增強極板的力學性能。然而，減小板柵網(wǎng)格的尺寸將增加電流 收集器重量相對活性材料重量的比率。這可能減小電池的比能量。本發(fā)明的多孔活性材 料的厚度可以是大約6毫米，而電池的性能仍佳。因此，板柵的厚度可以是大約幾百微米 至大約7毫米。這意味覺中間電極板的厚度可以是大約幾百微米至大約14毫米。圖2a至圖2d表明了電流收集器里在聚合物和金屬表面上的涂層22、23和24的 詳細情況。金屬薄片表面上被涂上抗硫酸腐蝕和導電的復合物24,此復合物由金屬硅化物 和粘結(jié)劑所組成。金屬硅化物可以是鈦化硅、鈮化硅、鉭化硅或者其它金屬硅化物。由 于TiSi2具有低電阻(少于18 μ Ω cm)和便宜(大約0.3美元/克)，它是優(yōu)于其它金屬硅 化物。金屬硅化物的顆粒尺寸可以從大約幾個納米至幾百個微米。各種各樣的復合物粘 結(jié)劑可以被使用，例如聚合物、環(huán)氧樹脂、聚合物和環(huán)氧樹脂的混合物、或者其它合適 的粘合物。粘結(jié)劑材料的選擇可能由板柵聚合物的類型所決定。金屬硅化物復合物的厚 度可以從大約幾百個納米至幾百個微米。測試揭示大約一個微米厚的復合物巳足夠阻止 硫酸的腐蝕。較合適的復合物厚度大約在20微米至200微米。然而應該了解，金屬硅 化物納米粉未非常昂貴，且加工和制作非常薄的復合物薄膜也很昂貴。粘接層23是為改善金屬硅化物與活性材料之間的粘合。對于負電極，粘接層23 是由碳納米管、鉛或鉛合金、金屬硅化物和粘結(jié)劑所組成的復合物。這里，碳納米管起 著兩重作用一是由于在復合物層23中的鉛顆粒在電池的放電過程中可能被硫化，碳納 米管為復合物層24與活性材料之間提供導電通道。二是用于增強復合物層23與活性材 料之間的粘合。實驗揭示，在負電極中碳納米管是穩(wěn)定的。碳納米管可以是單壁或多壁碳納米 管。納米管的直徑可以從大約幾個納米至幾百個納米，而納米管長度可以從大約幾個微 米至幾百個微米，甚至更長。由于多壁碳納米管(大約0.1美元/克)比單壁碳納米管 (大約60美元/克)要便宜得多，使用多壁碳納米管比較合適。金屬硅化物可以是鈦 化硅、鈮化硅、鉭化硅或者其它金屬硅化物。由于TiSi2具有低電阻和相對便宜，它是優(yōu) 于其它金屬硅化物。金屬硅化物的顆粒尺寸可以從大約幾個納米至幾百個微米。碳納 米管、鉛/鉛合金和金屬硅化物三分量在復合物中的體積比可以在很大范圍內(nèi)變化；例 如,每一分量可以從大約1%至大于80%。 每一分量較合適的體積比大約是10%至少于 50%。各種各樣的復合物粘結(jié)劑可以被使用，例如聚合物、環(huán)氧樹脂、聚合物和環(huán)氧樹 脂的混合物、或者其它合適的粘合物。復合物23的厚度可以從大約幾百個納米至幾百個 微米。粘結(jié)劑材料的選擇可能由復合物層24的粘結(jié)劑材料的類型所決定。聚合物板柵10的表面被涂上防腐和導電層22。涂層22為板柵聚合物表面與活 性材料之間提供了一粘合層。對于負電極，涂層22是由碳納米管、鉛/鉛合金和粘結(jié)劑 所組成的復合物。碳納米管可以是單壁或多壁碳納米管。納米管的直徑可以從大約幾個 納米至幾百個納米，而納米管長度可以從大約幾個微米至幾百個微米，甚至更長。由于多壁碳納米管比單壁碳納米管要便宜得多，使用多壁碳納米管較合適。鉛或鉛合金的顆 粒尺寸可以從大約幾個納米至幾百個微米。碳納米管和鉛/鉛合金二分量在復合物中的 體積比可以在很大范圍內(nèi)變化；例如，每一分量可以從大約1%至大于90%。每一分量 較合適的體積比大約是10%至少于50%。各種各樣的復合物粘結(jié)劑可以被使用，例如聚 合物、環(huán)氧樹脂、聚合物和環(huán)氧樹脂的混合物、或者其它合適的粘合物。粘結(jié)劑材料的 選擇可能由板柵聚合物的類型所決定。涂層22的厚度可以從大約幾百個納米至幾百個微 米。在這一厚度范圍內(nèi)，越薄越好，因為這減少了板柵的重量和降低了材料的成本。對于正電極，在圖2a至圖2d中粘合層23是由鉛/鉛合金、金屬硅化物和粘結(jié)劑 所組成的復合物。在這復合物中，鉛/鉛合金用于改善涂層23和活性材料之間的粘合。 金屬硅化物30(圖3a和3b)與活性材料之間的粘合非常弱。在復合物中，鉛/鉛合金可 以具有各種各樣的形態(tài)，例如微板柵31、顆粒32、條、棒、等等。然而，微板柵31是 較合適的。所謂微板柵意味著板柵網(wǎng)格的尺度和邊寬度都是在微米量級，可以是大約幾 微米至幾百微米。圖3a和圖3b描述了微板柵31和顆粒32構(gòu)形的詳情。參考數(shù)33和34分別 表明了微板柵31和顆粒32構(gòu)形在聚合物板柵16的一個單元內(nèi)涂層23的頂視圖，而參考 數(shù)35和36分別表明了微板柵31和顆粒32構(gòu)形在聚合物板柵16的一個單元內(nèi)涂層23的 橫斷面視圖。鉛/鉛合金和金屬硅化物二分量在復合物中的體積比可以在很大范圍內(nèi)變 化。鉛或鉛合金的體積比可以是大約10%至大約90%。大約50%的鉛或鉛合金體積比 是較合適的選擇。金屬硅化物可以是鈦化硅、鈮化硅、鉭化硅或者其它金屬硅化物。由 于TiSi2具有低電阻和相對便宜，它是優(yōu)于其它金屬硅化物。金屬硅化物的顆粒尺寸可以 從大約幾個納米至幾百個微米。各種各樣的復合物粘結(jié)劑可以被使用，例如聚合物、環(huán) 氧樹脂、聚合物和環(huán)氧樹脂的混合物、或者其它合適的粘合物。涂層23的厚度可以從大 約幾百個納米至幾百個微米。粘結(jié)劑材料的選擇可能由板柵聚合物的類型所決定。對于正電極，涂層22是由二氧化鉛和粘結(jié)劑所組成的復合物。眾所周知，PbO2 具有優(yōu)異的導電性，它的電導類似于金屬大約是104 Q-1Cm1,且它是抗酸腐蝕的。涂 層22起著導電和粘合活性材料的雙重作用。PbO2的顆粒尺寸可以從大約幾個納米至幾 百個微米。各種各樣的復合物粘結(jié)劑可以被使用，例如聚合物、環(huán)氧樹脂、聚合物和環(huán) 氧樹脂的混合物、或者其它合適的粘合物。粘結(jié)劑材料的選擇可能由板柵聚合物的類型 所決定。涂層22的厚度可以從大約幾百個納米至幾百個微米。在這一厚度范圍內(nèi)，越 薄越好，因為這減少了板柵的重量和降低了材料的成本。圖2a和圖2b描述了終端電極不同的涂層構(gòu)型，圖2c和圖2d描述了中間電極不 同的涂層構(gòu)型。圖2b和圖2d中構(gòu)型表明了板柵正好處在涂層23上。這樣的構(gòu)型也許 更便于涂層23和24的制得和處理，但可能要消耗較多的復合物材料。這些電流收集器能配置成如圖4a所示的單極化電極，或配置成如圖4b所示的雙 極化電極。當相同的活性材料(負的活性材料45或者正的活性材料46)被涂抹在電流收 集器的兩邊時，單極化電極被形成。當負的活性材料45被涂抹在一邊而另一邊則涂抹上 正的活性材料46時,雙極化電極被形成。圖4a和圖4b中的隔板47可以是多孔聚合物材料、吸液玻璃纖維材料和其它合適 的材料。這里應該指出，由于本發(fā)明所有極板的外部表面都是聚合物，只要使用聚合物接合劑或熱聚合物粘接膠就可裝配和密封電池，這使得裝配和密封電池簡易和低成本。圖 4a表明了本發(fā)明鉛酸電池的單極化構(gòu)型，而圖4b表明了本發(fā)明鉛酸電池的雙極化構(gòu)型。實施例一
按照圖4a所示的單極化構(gòu)型制做了一個2V的鉛酸電池。聚碳酸酯和鋁箔被選取用 來制做電流收集器。多孔聚合物被用作為隔板。圖5表明了電池在不同的充電時間后的放電特性。電池在21°C度被放電。充 電很快。5分鐘能被充至約總?cè)萘康?8%，而10分鐘能充至約總?cè)萘康?0%。電池在 不到2小時能完全被充滿?；趯嶒灁?shù)據(jù)估算了活性材料的利用率，大約為60%。近似 地計算了電池的比能量，大約為83瓦小時/公斤。循環(huán)測試巳進行了三個多月，還在繼 續(xù)進行。結(jié)果顯示，在160次循環(huán)后，電池性能的變化幾乎可以忽略。實施例二
按照圖4b所示的雙極化構(gòu)型制做了一個6V的鉛酸電池。聚碳酸酯和鋁箔被選取用 來制做電流收集器。多孔聚合物被用作為隔板。圖6表明了電池在不同的充電時間后的放電特性。電池在21°C度被放電。充 電很快。5分鐘能被充至約總?cè)萘康?1%。電池在不到2小時能完全被充滿?；趯?驗數(shù)據(jù)估算了活性材料的利用率，大約為60%。然后，近似地計算了電池的比能量，大 約為83瓦小時/公斤。以上已經(jīng)運用解說的方式對本發(fā)明進行了描述。應該懂得，巳經(jīng)所使用的術(shù) 語，只是基于所描述的詞的自然意義，而不是對所描述的內(nèi)容加以限制。基于以上的描述、解說和教導，對本專利進行許多修改、改進和變更是可能 的。因此，本專利包含了在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)所有可能的修改、改進和變更，而不 是只是僅僅這些作為特例所描述的。
權(quán)利要求
1.一種鉛酸電池電流收集器，其特征在于該收集器包含占多數(shù)的聚合物成員；和 夾在聚合物成員之間的金屬薄片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流收集器，其特征在于該收集器被配置為單極化電極和雙 極化電極之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流收集器，其特征在于所述聚合物成員由抗鉛酸電池電解 液腐蝕的聚合物所構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流收集器，其特征在于所述金屬薄片是鋁和它的合金、銅 和它的合金、鎳和它的合金、鈦和它的合金、鐵和它的合金之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流收集器，其特征在于至少所述聚合物成員之一是聚合物 板柵或聚合物薄片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流收集器，其特征在于所述金屬薄片的表面被涂上導電和 抗電解液腐蝕的復合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電流收集器，其特征在于所述聚合物板柵為具有圓圈形、鉆 石形、蜂窩形和矩形之一的花樣網(wǎng)格。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電流收集器，其特征在于所述聚合物板柵的表面被涂上導電 和抗電解液腐蝕的復合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電流收集器，其特征在于對于負電極，所述聚合物板柵上的 復合物由碳納米管、鉛/鉛合金、粘結(jié)劑所組成；對于正電極，所述聚合物板柵上的復合 物由二氧化鉛和粘結(jié)劑所組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流收集器，其特征在于所述金屬薄片上被涂的復合物由 金屬硅化物和粘結(jié)劑所組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流收集器，其特征在于所述金屬薄片上被涂的復合物上 還涂有第二層復合物，對于負電極，所述第二層復合物由碳納米管、鉛/鉛合金、金屬 硅化物和粘結(jié)劑所組成；對于正電極，所述第二層復合物由鉛/鉛合金、金屬硅化物和粘 結(jié)劑所組成的復合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求9或11所述的電流收集器，其特征在于所述碳納米管是單壁碳納米 管和多壁碳納米管之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的電流收集器，其特征在于所述金屬硅化物是鈦化 硅、鈮化硅、鉭化硅之一。
14.根據(jù)權(quán)利要求9、10或11所述的電流收集器，其特征在于所述粘結(jié)劑是環(huán)氧樹 脂、聚合物、聚合物和環(huán)氧樹脂的混合物、聚合物粘合物之一。
15.根據(jù)權(quán)利要求3或14所述的電流收集器，其特征在于所述聚合物是聚碳酸酯、丙 烯腈丁二烯苯乙烯、聚乙烯和聚氯乙烯之一。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電流收集器，其特征在于所述鉛/鉛合金是鉛/鉛合金微 板柵和鉛/鉛合金粉末之一。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電流收集器，其特征在于所述微板柵是板柵網(wǎng)格的尺度和 邊寬度都是在微米量級的板柵。
18.一種由權(quán)利要求1到17之一所述鉛酸電池電流收集器形成的鉛酸電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉛酸電池電流收集器及鉛酸電池。鉛酸電池電流收集器，包含聚合物成員和夾在聚合物成員之間的金屬薄片。鉛酸電池是由上述鉛酸電池電流收集器形成。本發(fā)明形成的電池具有低成本、高比能量、長循環(huán)壽命的特點，尤其適合汽車適用。
文檔編號H01M4/68GK102013492SQ20101053557
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者王小剛 申請人:王小剛