專利名稱：重量輕的固態(tài)可充電電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種重量輕的固態(tài)可充電堿金屬或堿土金屬電池，其中的電流收集極和載體包括一個碳纖維材料制成的網(wǎng)。
許多人對于制造可充電的堿金屬或堿土金屬電池以及用這種材料制作的元件已表示出極大的興趣，這是由于將這些材料特別是鋰進行適當?shù)奶幚聿⒔Y合進電池中時，它們會給出很多優(yōu)點，現(xiàn)有技術中電化學電池、電池和元件的許多例子可在下述文章中找到，如胡坡(Hooper)等人發(fā)表在奧坦斯大學1984年出版的《先進電池的進展》上的文章，安德烈(Andre)等人的美國第4，357，401號專利，本尼斯特(Bannister)的第4，471，037號美國專利，蘇姬鳥其(Sugiuchi)等人的第4，496，638號美國專利，斯考西姆(Skotheim)的第4，520，086號美國專利，以及候普(Hope)等人的第4，576，883號美國專利。
如現(xiàn)有技術中所述，固態(tài)堿電池的構造通常包括將一種堿土金屬或堿金屬例如鋰淀積在作為電流收集極和載體的一個金屬箔基片上。
如已知那樣，堿金屬和堿土金屬是強活性的，由于它們的離子和電性能使得它們特別適合用在電池中。這些金屬通常被約束或包覆在電流收集和運載金屬箔基片上，金屬箔可以是銅、鎳或鋁制做的。所使用的堿金屬包括鋰、鈉、鉀和鈰，其中鋰是特別熟知的用在電池中的。堿土金屬包括鈹，鎂，鈣，鍶和鋇。已觀察到堿金屬，例如鋰，最初表現(xiàn)為對銅或其它金屬箔基片不起反應，經(jīng)過一段時間后，堿金屬與金屬箔片之間經(jīng)常起不良反應并且與該金屬形成一種合金，其結果導致效率下降并且使用壽命此所希望的要短，應使金屬箔片沒有雜質(zhì)這一點是重要的，但這一點很難達到而且堿金屬也會與金屬箔片中那怕是很微少量的雜質(zhì)發(fā)生反應。金屬箔基片要占去整個電池重量的50%，因此需要減少電池重量并且由此增加電池的能量密度。這樣便需要給出一個能減少電池總重量并且對使用堿金屬或堿土金屬所帶來的問題不敏感，同時又能它們所需特性的適當?shù)碾娏魇占瘶O。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在堿金屬或堿土金屬電池中使用包括一個由惰性碳纖維網(wǎng)組成的基片電流收集極和載體能使一個電池的庫存時間更長，并能降低成本和電池重量，使基片起到一個雙面收集極的作用，在生產(chǎn)這類電池中具有更大的靈活性和帶來其它利益。
本發(fā)明的主要目的是給出一個重量輕的固態(tài)可充電電池，其中的電流收集極和載體基片對堿金屬或堿土金屬不起作用。
本發(fā)明的另一目的是減輕電池的重量。
本發(fā)明的另一目的是給于一種容易制造并且能按所需結構成型的電池。
本發(fā)明的另一目的是給出一種電池電流收集極和載體基片。該基片具有一更大的接觸表面面積因而比其它這類基片具有更高的效率和能力。
本發(fā)明的另一目的是給出一種電池，其中的電池收集極和載體基片可以浸鍍上堿金屬或堿土金屬。
本發(fā)明的另一目的是給出一種具有低電阻率的電流收集極和載體基片的電池。
本發(fā)明的另一目的是給出一種電池，其中的電流收集極和載體基本上可結合有多股導線，以改善基片的電流傳導特性。
本發(fā)明的另一目地還在于給出一種具有一個單一基片但又是雙結構形式的電池。
本發(fā)明的其它目的和發(fā)明的有利特征將在下述部分和權利要求中清楚地表現(xiàn)出來。
從下述結合附圖的描述中，可以更加明了本發(fā)明的本質(zhì)和特征。
附
圖1是按照本發(fā)明做成的一個電池實施例的一個圖解示意圖。
附圖2是按本發(fā)明做成的另一個電池實施例示意圖。
附圖3是按照本發(fā)明制成的又一電池實施例示意圖。
附圖4是按照本發(fā)明制成的一個具有雙面基片電流收集極和載體的電池示意圖。
當然也應該知道這里所作的描述和給出的附圖僅僅是示意性的，還可以在不背離本發(fā)明的精神下，對這里公開的結構作出各種各樣的改型和變動。
固態(tài)可充電堿金屬或堿土金屬電池，例如鋰電池，是由至少一個陽極層，一個聚合物介質(zhì)層和一個陰極層組成。這種電池實質(zhì)上可以是任何所需的形狀和結構，并且通常還包括多個附加層，例如電流傳導背襯層，絕緣層以及電極連接層。
現(xiàn)參照附圖1，其中給出按照本發(fā)明所做的一個固態(tài)電池10。
所述的電池10是用鋰金屬做成的，但如果需要，也可用其它堿金屬或堿土金屬制做。電池10包括一個作為電池電流收集極和載體的基片11。如所示那樣，基片11是由一個用碳纖維織成的網(wǎng)做成的。同樣，網(wǎng)12如所示那樣也是織成的，也可以用一排排的纖維束制做(未畫出)，碳纖維網(wǎng)12可用已知類型的碳纖維束15形成，這種材料實質(zhì)上應沒有雜質(zhì)并且有700歐姆的較低電阻率。
基片11編織成具有網(wǎng)孔12的形狀并將其浸入一個盛有熔化形式的堿金屬或堿土金屬例如鋰(未畫出)中槽中(未畫出)。
具有網(wǎng)孔的網(wǎng)12被槽中熔化的鋰所包圍并包在纖維束15上，在網(wǎng)的兩面形成一個層14，與金屬箔平網(wǎng)上有鋰涂層的常規(guī)鋰電池結構相比，此種辦法可以給出最大的表面接觸面積并能大大改善其性能和能力。由于網(wǎng)的結構，該網(wǎng)可以用波峰焊的方法涂層，但這種方法不能用在金屬箔上，因為鋰是液態(tài)的。噴涂的方法或者其方涂覆方法也是可行的。盡管基片12在圖中表現(xiàn)為帶狀形狀，沒有限定長度，但應注意到它可以做成任何所需的形狀，基片11上隨后可加上聚合物電解質(zhì)淀積層16，該淀積層可以是某種聚合物質(zhì)如聚乙烯氧化物與鋰鹽的化合物，這類物質(zhì)已在我們以前的專利第4，576，883中詳細描述過了。電解質(zhì)混合物可加到基片12上以形成涂層16，涂覆可采用任何合適的技術，例如用眾所周知的外科手術刀片或者擠壓技術。
陰極材料層17加在層16上面，它可以是薄薄一層聚合物小球，這些小球?qū)⒁环N化合物例如釩氧化物化合物V6O13，被磨碎的微粒嚴嚴地封裝起來，其中的化合物微粒還加有碳黑和一種有機溶劑，以改善導電性能。這樣做出的陰極給出第二個收集極19，為進一步改善此種結構的電流運載特性，還可以在陰極收集極19上面加上一個緊密接觸的精制導線網(wǎng)格20。
應注意到，已介紹過將基片電流收集極的載體用于陽極，但這種電流收集極和載體也同樣可以用作陰極。
現(xiàn)參見附圖2的另一實施方案，其中顯示出基片電流收集極和載體100包括一個用碳纖維束102制成的網(wǎng)101，網(wǎng)101上編入多股金屬導線103，導線可以是鎳線并且縱向在網(wǎng)上延伸出去。如果需要，不只是鎳線，其它適合運載電流的材料也可用。在某些應用場合，加入金屬線束103是必要的，它可以增加電流運載特性，網(wǎng)101隨后可以如附圖1中所述那樣裝入一個電池中(圖中未畫出)。
現(xiàn)參見附圖3中的又一實施方案，其中所顯示的基片200包括已經(jīng)偏入導線網(wǎng)格203的多束碳纖維束202，它具有“雞內(nèi)絲”那樣的結構，有開口網(wǎng)格和縱向及橫向線束204和205。線束204和205可以是鎳制作的，但如果需要，它們可以用其它適合的材料制作。如上對附圖1所作的說明中那樣，由此得到的網(wǎng)201可以被隨后裝入一個電池中。
現(xiàn)參見附圖4，其中給出一個雙面的基片電流收集極和載體300的電池結構，基片300是按附圖1所敘述的方式制成的。
為顯示目的，假定電池301是按圖1所示方法制成的，它包括一個用碳纖維束303制成的。涂有鋰層的基片302，其上又加有聚合物電解質(zhì)淀積層305，在層305上又加了第二個陰極材料層306以便形成一個陰極，涂覆后的陰極然后被翻過來，在其上面加上一個聚合物電解質(zhì)淀積層307，在層307上面按如上所述方式又加了一層陰極材料層308，按上述方法制造的結果便是一個僅有一個基片302作為電流收集極和載體的雙電池，因此它節(jié)約了50%的收集極材料。
將會看到，如果采用上述給出的結構，便可實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
權利要求
1.在一固態(tài)堿金屬或堿土金屬類型的可充電電池中，包含有一個陽極，一個聚合物電介質(zhì)層，一個陰極，以及電流收集和運載基片裝置，該裝置包括一個碳纖維束或者碳石墨纖維做成的網(wǎng)，以及在所述網(wǎng)上的一金屬涂覆層。
2.權利要求1中所定義的電池，其中所述的電流收集和運載裝置是所述陰極的一部分。
3.權利要求1中所定義的電池，其中所述的電流收集和運載裝置是所述陽極的一部分。
4.權利要求1中所定義的電池，其中所述網(wǎng)上的金屬涂覆層為一種堿金屬。
5.權利要求1中所定義的電池，其中所述網(wǎng)上的金屬涂覆層為一種堿土金屬。
6.權利要求1中所定義的電池，其中所述的網(wǎng)是編織成的。
7.權利要求1中所定義的電池，其中所述的網(wǎng)是用一排排的碳纖維束或者碳石墨纖維制成的。
8.權利要求1中所定義的電池，其中所說的網(wǎng)包含有插入所述碳纖維束中的多個單根金屬導線。
9.權利要求1中所定義的電池，其中所述的網(wǎng)包含有一層開孔金屬導線。
10.權利要求1中所定義的電池，其中所述的陰極上有一緊密接觸的精細的導線網(wǎng)。
全文摘要
一種重量輕的固態(tài)可充電堿金屬或堿土金屬電池。該電池具有一碳纖維結構和基片電流收集極和載體。
文檔編號H01M10/40GK1035587SQ89100300
公開日1989年9月13日 申請日期1989年1月20日 優(yōu)先權日1988年2月29日
發(fā)明者亨利·F·霍普, 斯蒂芬·F·霍普 申請人:亨利·F·霍普, 斯蒂芬·F·霍普