[發明專利]用于電化學設備的集電流器的制作方法

有效

• 申請號: 201180030593.0
• 申請日: 2011-04-14
• 公開（公告）號: CN102985595B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: 喬伊·丘恩格·延·瓊格
• 申請（專利權）人: 喬伊·丘恩格·延·瓊格
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C18/54;C25D3/00;H01M4/64;H01M4/82
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 陳文平

發明技術領域

本發明涉及用于電化學電池的集電流器。

背景

一般的鉛酸蓄電池的電極多年來都是由涂上膏的極板組成。這樣的極板，也被稱為“集電流體”，通常有一個支撐基底或基質，該基質是一個金屬板柵，通常為鉛合金。集電流體的板柵孔洞中填滿了電池活性物質，如氧化鉛和33％稀硫酸的混合物。使用的術語“電池活性物質”在實地中經常可與“膏”和“電活性膏”互換。施加電活性膏到板柵的工序，在日常簡單地被稱為“涂膏”。板柵，基質，和基底結構等在本文中交替使用的術語，指的是一個將電活性膏施加到集電體的支撐結構。

最近有以非金屬基材代替鉛格板柵作為更適合的集電流體的嘗試。目的是找到一個堅固的，重量輕的，多孔性的基材，即使在惡劣的環境和操作條件下，并且通常是在范圍很廣的電池應用上，能夠維持其上的電池活性物質。比如，Kelley等人，美國專利號6,979,513(“Kelley”)，描述了使用泡沫碳來制成電池的集電流體，和Gyenge等人的美國專利號7,060,391(“Gyenge”)所教導的，將鉛-錫合金層沉積在泡沫碳上來制作用于鉛酸電池的集電流體。

這些替代傳統鉛板柵的方法可以提高使用效率和電池的能量密度。然而，如同Kelley和Gyenge的集電流體有一個主要缺點，其使用的泡沫碳是脆弱的，缺乏結構的完整性，將使得涂膏和電池組裝等制造工藝復雜化。此外，雖然泡沫碳與以金屬為基材的集電流體相比是輕得多，Gyenge類型的泡沫碳集電流體一定會比傳統的鉛格板柵厚，以維持其結構的完整性和強度。因此，電池中可以并聯和串聯這種泡沫碳集電流體的數目將低于使用常規的鉛格板柵。這意味著，使用Gyenge類型集電流體的鉛酸電池比使用鉛格板柵的常規鉛酸電池有較低的功率密度。

如Kelley和Gyenge等型態的泡沫碳集電流體的另外一個缺點是碳化的基質。這里所提到的“碳化”是指一個處理程序或狀態，在一個合適的環境中-通常是在非氧化性的環境下-分別的將碳質材料暴露在足夠高的溫度，該材料結構完全轉換成碳材料的結果。(用在這里的“非碳化”術語是指還未經過暴露碳化的材料。)比如，Gyenge和Kelley的碳化板柵是在壓力下，以高溫，并且在惰性氣體的環境中以很長的處理時間制成。制造出的板柵除了強度相對較弱，工藝步驟和制造要求顯著地增加了制造成本。制作一個重量輕，非碳化的板柵對電池行業來說將是十分有利。

開發簡單，重量輕，同時可用作負極和正極的集電流體，對于電池行業來說也將是有利的。美國專利申請29269658A1揭露一個作為”負極集電流體”的板柵結構。類似的，Soria等揭露一個作為“負極集電流體”的輕量金屬化聚合物網狀結構(″Lead-Acid?Batteries?with?Polymer?Structured?Electrodes?for?Electric?Vehicle?Applications″，1999，Journal?of?Power?Sources.78：220-230)。這兩個參考文獻都披露大大減少負極的重量，然而，因為它們都還使用傳統的正極，電池的整體容量和循環壽命仍然是受限于傳統的正極電極板。另一方面，Martha等披露用于“正極和負極”的集電流體。(″A?Low-Cost?Lead-Acid?Battery?with?High?Specific?Energy”2006。Journal?of?Chemical?Science?118(1)：93-98)。這種基于ABS橡膠板柵的集電流體，是沉重的并具有復雜的結構。這增加了制造成本。

在本領域的技術人員熟悉其他類型集電流體的缺陷。例如，目前所用的鋰離子電池中的金屬箔的集電流體具有至少有兩個問題：1)低的正極材料裝載量限制電池的容量，以及2)由于正極材料的不良導電性導致熱失控的高風險。當一個微小雜質(如銅或鎳)和正極材料內部混合，從而導致大量的電流短路并在正極和負極板之間發展成相當大的電流，熱失控就可能會出現。