具有通用外形要素的鉛酸蓄電池設(shè)計的制作方法
【專利摘要】一種電化學(xué)存儲設(shè)備，包括多個層電極，其中，每個層電極包括：第一充電段和第二充電段，其中，該第二充電段與該第一充電段相比被反向充電，并且其中，該多個層電極相對于彼此裝配，使得該多個層電極的第一板的第一充電段被鋪設(shè)在該多個層電極的第二板的第二充電段下方，第二板位于該第一板緊接上方，其中，該第一板和該第二板的第一充電段的電荷具有第一符號，并且該第一板和該第二板的第二充電段的電荷具有與該第一符號相反的第二符號；隔板段，該隔板段位于所述第一板的第一充電段和所述第二板的第二充電段之間，并且使得所述第一板的第一充電段和所述第二板的第二充電段之間進(jìn)行離子電荷交換。
【專利說明】具有通用外形要素的鉛酸蓄電池設(shè)計
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請是于2012年9月25日提交的標(biāo)題為"Lead-acid battery design having versatile form factor (具有通用外形要素的鉛酸蓄電池設(shè)計）"的申請No. 13/626426的 部分繼續(xù)申請，該申請No. 13/626426為于2012年1月13日提交的標(biāo)題也為"Lead-acid battery design having versatile form factor(具有通用外形要素的鉛酸蓄電池設(shè) 計）"的申請No. 13/350, 686的部分繼續(xù)申請，該申請No. 13/350, 686合并了同時提交的標(biāo) 題為 "Improved Substrate for Electrode of Electrochemical Cell (用于電化學(xué)電池 的電極的改進(jìn)的襯底）"的美國申請No. 13/350,505的整個公開內(nèi)容。本申請通過引用而 合并所有以上列出的申請的整個內(nèi)容。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本公開的實施例大體涉及電化學(xué)電池。更具體地，本公開的實施例涉及鉛酸電化 學(xué)電池的設(shè)計。

【背景技術(shù)】
[0004] 鉛酸電化學(xué)電池在商業(yè)上已經(jīng)成功作為能量電池超過一百年。例如，鉛酸蓄電池 廣泛用于汽車工業(yè)中的起動、照明、和點火（SLI)應(yīng)用。
[0005] 作為鉛酸蓄電池的替代，鎳金屬氫化物（"Ni-MH"）和鋰離子（"Li離子"）電池已 經(jīng)用于混合車輛應(yīng)用和電動車輛應(yīng)用。盡管它們較高的成本，但是由于與鉛酸蓄電池相比， Ni-MH和Li離子的較高比能和能量密度，所以對于混合車輛應(yīng)用和電動車輛應(yīng)用，Ni-MH和 Li離子電化學(xué)品一直比鉛酸電化學(xué)品更受親睞。
[0006] 雖然鉛酸蓄電池、Ni-MH蓄電池、和Li離子蓄電池各自已經(jīng)經(jīng)歷了商業(yè)化成功，但 是傳統(tǒng)上，這三個類型的電化學(xué)品中的每一個均已經(jīng)被限制于某些應(yīng)用。圖18示出已經(jīng)在 汽車應(yīng)用中使用的各種類型的電化學(xué)電池的能量比較圖（Ragone plot)，其描繪出與其它 技術(shù)相比它們各自的比功率和比能。
[0007] 鉛酸蓄電池技術(shù)低成本、可靠、并且相對安全。諸如車輛的全面電氣化或局部電氣 化的某些應(yīng)用和備用電源應(yīng)用需要比傳統(tǒng)SLI鉛酸蓄電池所具有的比能更高的比能。如表 1所示，鉛酸蓄電池由于部件的重量而遭受低比能。因此，對于需要高比能的各種應(yīng)用，包括 某些汽車和備用電源應(yīng)用，仍然存在對低成本、可靠的并且相對安全的電化學(xué)電池的需要。
[0008] 鉛酸蓄電池具有許多優(yōu)勢。首先，它們是能夠在世界上任何地方被制造的低成本 技術(shù)。因此，鉛酸蓄電池的生產(chǎn)能夠容易地擴(kuò)大規(guī)模。在各種尺寸和設(shè)計中，大量鉛酸蓄電 池是可用的。此外，它們具有良好的高速率性能和中等良好的低溫和高溫性能。鉛酸蓄電 池是電效率高的，具有75%至80%的周轉(zhuǎn)效率，提供良好的"浮動"服務(wù)（在這種情況下， 電荷通過涓流充電而被維持在滿電荷水平附近），并且呈現(xiàn)良好的電荷保持。此外，雖然鉛 是有毒的，但是鉛酸蓄電池部件容易回收。極端高比例的鉛酸蓄電池部件（超過95% )通 常被回收。
[0009] 鉛酸蓄電池還具有某些缺點。它們特別在深放電應(yīng)用中提供相對低的循環(huán)壽命。 由于鉛部件和需要用來加固板的其它結(jié)構(gòu)部件的重量，鉛酸蓄電池通常具有有限的能量密 度。如果鉛酸蓄電池在放電條件下被存儲持續(xù)很久的周期，則會發(fā)生電極的硫酸化，從而損 害電池并且削弱其性能。此外，在一些設(shè)計中，能夠析出氫氣。
[0010] 與鉛酸蓄電池相反，Ni-MH蓄電池使用金屬氫化物，該金屬氫化物與諸如氫氧化鎳 的常規(guī)正電極一起作為有源負(fù)材料。Ni-MH蓄電池特別是在相對低深度的放電下具有相對 長的循環(huán)壽命。Ni-MH蓄電池的比能和能量密度高于鉛酸蓄電池的比能和能量密度。此外， Ni-MH蓄電池以小棱柱形和柱形電池被制造用于各種應(yīng)用并且已經(jīng)在混合電動車輛中被廣 泛采用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)尺寸較大的Ni-MH電池在電動車輛中使用受到限制。
[0011] Ni-MH電化學(xué)電池的主要缺點是它們的高成本。Li離子蓄電池也有該缺點。此外， Li離子設(shè)計的能量密度和比能的改進(jìn)已經(jīng)超越最近幾年中在Ni-MH設(shè)計上的前進(jìn)。因此， 雖然鎳金屬氫化物蓄電池當(dāng)前具有比較十年前的設(shè)計大得多的功率，但是除了 Li離子蓄 電池的固有的較高工作電壓之外，對于可能已經(jīng)采用Ni-MH蓄電池的許多混合應(yīng)用而言， Li離子蓄電池的進(jìn)步已經(jīng)使得Li離子蓄電池在技術(shù)上更具競爭性。
[0012] Li離子蓄電池已經(jīng)不僅占據(jù)了二級消費(fèi)電池市場的大量份額，而且還占據(jù)了 OEM 混合蓄電池、車輛、和電動車輛應(yīng)用的大部分份額。Li離子蓄電池提供高能量密度和高比 能，以及長循環(huán)壽命。例如，Li離子蓄電池在80%的深度放電下能夠具有大于1000個循 環(huán)。
[0013] Li離子蓄電池具有某些優(yōu)勢。它們是以各種形狀和尺寸可用的，并且比具有可比 較的能量容量（比能和能量密度）的其它二次電池輕得多。此外，它們具有較高的開路電 壓（通常?3. 5V，相對于鉛酸電池的2V)。與Ni-Cd并且在更小程度上與Ni-MH蓄電池相 t匕，Li離子蓄電池不遭受"記憶效應(yīng)"并且與Ni-MH蓄電池（至多20%每月）相比較具有 低得多的自放電速率（近似5%每月）。
[0014] 然而，Li離子蓄電池也具有某些缺點。它們是昂貴的。在較低溫下，在1°C以上的 充電和放電速率是有挑戰(zhàn)性的，這是因為鋰擴(kuò)散減慢并且它不允許離子足夠快地移動。此 夕卜，Li離子蓄電池使用液體電解質(zhì)以允許更快的擴(kuò)散速率，這導(dǎo)致在負(fù)電極處樹枝狀沉積 物的形成，從而造成硬短路并且導(dǎo)致潛在的危險條件。液體電解質(zhì)也在電解質(zhì)/電極接口 處形成沉積物（被稱為SEI層），這些沉積物會抑制電子遷移，從而間接地促使電池的倍率 容量和容量隨時間減小。這些問題會因高充電水平和升高的溫度而惡化。Li離子電池如果 在浮充條件下操作，則可能不可逆轉(zhuǎn)地?fù)p失容量。不良的冷卻和增加的內(nèi)電阻促使電池內(nèi) 部溫度增加，從而使電池壽命進(jìn)一步縮短。然而，最重要的是，如果過熱、過度充電、或過度 放電，則Li離子蓄電池可能遭受熱散逸。這會導(dǎo)致電池炸裂，使活性材料暴露于大氣。在 極端情況下，這會造成電池著火。深度放電可能使Li離子電池短路，造成不安全的再充電。
[0015] 為了管理這些危險，Li離子蓄電池通常制造有昂貴且復(fù)雜的功率和熱管理系統(tǒng)。 在用于混合動力車輛的典型的Li離子應(yīng)用中，電池模塊的體積的三分之二可能被給予附 屬設(shè)備，以便進(jìn)行熱管理以及功率電子和電池管理，從而顯著增加電池系統(tǒng)的總尺寸和重 量及其成本。
[0016] 除了鉛酸蓄電池、Ni-MH蓄電池和Li離子蓄電池的不同的優(yōu)點和缺點之外，這三 種電化學(xué)的比能、能量密度、比功率、和粉末密度大大不同。在下表1中提供在HEV類型應(yīng) 用中所使用的系統(tǒng)的典型值。
[0017] 表 1
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 一種螺旋卷繞電化學(xué)存儲設(shè)備，所述設(shè)備包括： 包括電池疊層的柱形電池組，其中，所述電池疊層包括電池條，所述電池條從平坦構(gòu)造 被卷起，以形成所述柱形電池疊層；和 用于容納所述柱形電池組的柱形殼體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述電池疊層是被包括在所述柱形 電池組中的多個電池疊層中的第一電池疊層，并且其中，所述多個電池疊層串聯(lián)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述電池疊層包括多個條，所述多個 條包括正半電極條、負(fù)半電極條、和隔板半部條，并且其中，所述多個半條鋪設(shè)在彼此之上， 以形成所述電池疊層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，進(jìn)一步包括中心心軸，其中，所述電池疊層 繞著所述中心心軸被卷起。
5. -種制造螺旋卷繞電化學(xué)存儲設(shè)備的方法，所述方法包括： 提供平坦電池條； 將所述平坦電池條卷起，形成柱形電池疊層的形式； 將所述柱形電池疊層連接到正端子并且連接到負(fù)端子；和 將所述柱形電池疊層插入柱形殼體中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述平坦電池條是多個電池條中的第一電池條， 并且其中，所述方法進(jìn)一步包括： 平坦鋪設(shè)所述多個電池條，以形成多個電池疊層； 串聯(lián)連接所述多個電池疊層；和 卷起所述多個電池疊層，以形成所述柱形電池組。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述電池疊層包括多個條，所述多個條包括正半 電極條、負(fù)半電極條、和隔板半部條，并且其中，所述方法包括將所述多個半條鋪設(shè)于彼此 之上，以形成所述電池疊層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括： 提供中心心軸；和 繞所述中心心軸卷起所述平坦的電池條，以形成所述柱形電池疊層。
9. 一種電化學(xué)存儲設(shè)備，包括： 電化學(xué)電池組，其中，所述電化學(xué)電池組終止于極耳中；和 由金屬片形成的功率總線，其中，所述功率總線將所述極耳電連接到設(shè)備端子，并且其 中，通過將所述金屬片焊接到所述極耳，所述功率總線被附接到所述極耳。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述金屬片通過超聲焊接附接到所 述極耳。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述金屬片被折疊，以形成頂表面、 前表面和后表面，并且其中，所述頂表面電連接到所述設(shè)備端子，并且所述前表面環(huán)繞所述 極耳被焊接。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述極耳是多個極耳中的一個極 耳，并且其中，通過將所述金屬片焊接到對應(yīng)的所述極耳，所述功率總線被附接到所述多個 極耳中的每一個極耳。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述功率總線在不同的點處具有 不同的電阻率，以在所述多個極耳中的每一個極耳和所述設(shè)備端子之間提供均衡總電阻。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述功率總線通過在不同的點處 具有不同的厚度而在不同的點處具有不同的電阻率。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述功率總線通過在所述功率總 線的一些位置處形成孔而在不同的點處具有不同的電阻率。
16. -種制造電化學(xué)存儲設(shè)備的方法，所述方法包括： 提供電化學(xué)電池組，其中，所述電化學(xué)電池組終止于極耳中； 提供包括平坦金屬片的功率總線段； 將所述平坦金屬片折疊并且焊接到所述極耳；和 將所述功率總線電連接到設(shè)備端子。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，將所述平坦金屬片焊接到所述極耳包括將所 述金屬片超聲焊接到所述極耳。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，折疊所述平坦金屬片包括形成頂表面、前表面 和后表面，并且其中，所述頂表面電連接到所述設(shè)備端子，并且所述前表面環(huán)繞所述極耳被 焊接。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述極耳是多個極耳中的一個極耳，并且其 中，通過將所述金屬片焊接到對應(yīng)的所述極耳，所述功率總線被附接到所述多個極耳中的 每一個極耳。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，進(jìn)一步包括通過使所述功率總線的電阻 率在不同的點處不同而在所述多個極耳中的每一個極耳和所述設(shè)備端子之間提供均衡總 電阻。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，使所述功率總線的電阻率在不同 的點處不同包括使所述功率總線的厚度在不同的點處不同。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，使所述功率總線的電阻率在不同 的點處不同包括在所述功率總線的一些位置處形成孔。
23. -種電化學(xué)存儲設(shè)備，包括： 多個層電極，其中，每個層電極包括第一充電段和第二充電段，其中，所述第二充電段 與所述第一充電段相比被反向充電，并且其中，所述多個層電極相對于彼此裝配，使得所述 多個層電極的第一板的第一充電段被鋪設(shè)在所述多個層電極的第二板的第二充電段下方， 所述第二板位于所述第一板緊接上方，其中，所述第一板和第二板的第一充電段的電荷具 有第一符號，并且所述第一板和第二板的第二充電段的電荷具有與所述第一符號相反的第 二符號； 隔板段，所述隔板段位于所述第一板的第一充電段和所述第二板的第二充電段之間， 并且能夠在所述第一板的第一充電段和所述第二板的第二充電段之間進(jìn)行離子電荷交換。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述第一板的第二充電板鋪設(shè)在 所述第二板的第一充電段的下方，且所述電化學(xué)設(shè)備進(jìn)一步包括絕緣體段，所述絕緣體段 位于所述第一板的第二充電段和所述第二板的第一充電段之間并且防止在所述第一板的 第二充電段和所述第二板的第一充電段之間進(jìn)行離子或?qū)щ婋姾山粨Q。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述多個層電極中的每一個是圓 形的。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，每個段具有半圓形狀，所述半圓形 狀的尺寸被設(shè)計為約為對應(yīng)的所述層電極的一半。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述多個層電極的每個板進(jìn)一步包 括框架，所述框架容納對應(yīng)的所述板的第一充電段和第二充電段。
28. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，進(jìn)一步包括用于蓋住所述多個層電極的 第一帽件和第二帽件。
29. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，進(jìn)一步包括導(dǎo)電襯底，所述導(dǎo)電襯底用 于在所述第一充電段和所述第二充電段之間提供導(dǎo)電連接。
30. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述多個層電極中的每一個具有 矩形形狀。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，每個段具有半矩形形狀，所述半矩 形形狀的尺寸被設(shè)計為約為對應(yīng)的所述層電極的一半。
32. -種電化學(xué)存儲設(shè)備，包括： 第一電化學(xué)電池和第二電化學(xué)電池，所述第一電化學(xué)電池和第二電化學(xué)電池布置在公 共的殼體中并且各自包括陽極和陰極，其中，所述第一電化學(xué)電池的陽極被布置成與所述 第二電化學(xué)電池的陰極相對置； 隔板，所述隔板布置在所述第一電化學(xué)電池的陽極和所述第二電化學(xué)電池的陰極之 間，其中，所述第一電化學(xué)電池的陰極和所述第二電化學(xué)電池的陰極是電絕緣的并且通過 在所述隔板中吸收的離子傳導(dǎo)介質(zhì)連通； 公共電流收集器，所述公共電流收集器布置在所述第一電化學(xué)電池的陽極和所述第二 電化學(xué)電池的陰極上，其中，所述第一和第二電化學(xué)電池電連接并且被防止離子傳導(dǎo)，并且 其中，所述第一和第二電化學(xué)電池的離子分離減小了分路電流。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其中，所述電流收集器提供大致均勻的電流收集，所 述均勻的電流收集提供均勻的電流密度。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括疏水涂層，所述疏水涂層布置在所述公 共電流收集器的在所述陽極和所述陰極之間的部分上。
35. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括物理屏障，所述物理屏障被構(gòu)造成與所 述第一和第二電化學(xué)電池離子絕緣。
36. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括一個正端子接頭和一個負(fù)端子接頭。
37. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括絕緣框架，所述絕緣框架用于將兩個或 更多個電化學(xué)電池的陽極和陰極布置在大致相同的平面中。
38. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述導(dǎo)電襯底由無定形材料制成。
39. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，所述導(dǎo)電襯底是絲網(wǎng)，所述絲網(wǎng)包 括在從所述第一段指向所述第二段的方向上延伸的伸長直線。
40. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，其中，矩形的所述多個層電極中的每一 個矩形具有在從所述第一段指向所述第二段的方向上的寬度和垂直于所述寬度并且大于 所述寬度的長度。
41.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電化學(xué)存儲設(shè)備，進(jìn)一步包括內(nèi)部段、基部和嵌入件，其 中，所述內(nèi)部段包括所述多個層電極和所述隔板，并且其中，所述基部被構(gòu)造成形成所述電 化學(xué)設(shè)備的外表面，并且其中，所述嵌入件被構(gòu)造用于插入到所述基部和所述內(nèi)部段之間 并且進(jìn)一步被構(gòu)造用以增加所述基部的剛度。
【文檔編號】H01M2/02GK104160526SQ201380013469
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月13日
【發(fā)明者】蘇巴什·達(dá)爾, 威廉姆·克廷, 夸克·湯姆, 富蘭克林·馬丁, 約爾格·埃斯皮內(nèi)爾, 邁克爾·尼爾森, 法比奧·阿爾巴諾 申請人:能量動力系統(tǒng)有限責(zé)任公司