本發(fā)明涉及改進(jìn)的方法和機(jī)器，用于與纖維材料(特別是通常用作電極材料的纖維材料，例如用于電池或電芯纖維電極)形成連接(特別是電連接)，本發(fā)明還涉及這樣形成的材料，特別是如此形成的電極。

背景技術(shù)：

在包含纖維特別是一個(gè)或多個(gè)碳纖維電極的鉛酸電池或電芯中，通常在導(dǎo)電纖維電極材料和與外部電路連接的連接器或凸耳(這里通常稱為凸耳)之間需要非常低的電阻和在機(jī)械上耐用的連接。

申請(qǐng)人的pct國際專利申請(qǐng)公開了一種在導(dǎo)電纖維材料電極元件上形成凸耳的方法，其包括通常在模具中壓力浸漬凸耳材料，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維。

為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)電極的快速大批量制造，需要一些形式的連續(xù)凸耳形成工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在廣義上，在一個(gè)方面，本發(fā)明包括一種用于與纖維材料電極元件形成連接的方法，其包括：使一定長度的纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然；以及通過壓力注射級(jí)，通過一系列壓力注射脈沖將凸耳材料壓力浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在凸耳區(qū)域中形成凸耳條帶。

在另一方面，廣義地說，本發(fā)明包括一種用于與導(dǎo)電纖維材料電極元件形成電連接的方法，其包括：使一定長度的纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然；以及通過壓力注射級(jí)，通過一系列壓力注射脈沖將凸耳材料壓力浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在凸耳區(qū)域中形成電連接到纖維材料的凸耳條帶。

在另一方面，廣義地說，本發(fā)明包括一種用于與導(dǎo)電纖維材料電極元件形成電連接的方法，其包括：使一定長度的導(dǎo)電纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然；以及通過壓力注射級(jí)，通過一系列壓力注射脈沖將導(dǎo)電凸耳材料壓力浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在凸耳區(qū)域中形成電連接到纖維材料的凸耳條帶。

在至少一些實(shí)施例中，壓力浸漬包括在模具(密封或不密封)中不包含纖維材料的凸耳區(qū)域部分的情況下進(jìn)行壓力浸漬。

在另一方面，廣義地說，本發(fā)明包括一種用于與纖維材料電極元件形成電連接的方法，其包括：使一定長度的纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然；以及通過壓力注射級(jí)，在模具中不包含纖維材料的凸耳區(qū)域部分的情況下將凸耳材料壓力浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在凸耳區(qū)域中形成電連接到纖維材料的凸耳條帶。

在另一方面，廣義地說，本發(fā)明包括一種用于與纖維材料電極元件形成連接的方法，其包括：使一定長度的纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然，該壓力注射級(jí)向電極元件施加連續(xù)壓力；以及通過壓力注射級(jí)，將材料連續(xù)地浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在凸耳區(qū)域中形成連接到纖維材料的凸耳條帶。

在另一方面，廣義地說，本發(fā)明包括一種用于與纖維材料電極元件形成電連接的方法，其包括：使一定長度的纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然，該壓力注射級(jí)向電極元件施加連續(xù)壓力；以及通過壓力注射級(jí)，將凸耳材料連續(xù)地浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在凸耳區(qū)域中形成電連接到纖維材料的凸耳條帶。

通常，該方法包括使纖維材料連續(xù)地或階梯式地運(yùn)動(dòng)，并且在纖維材料和壓力注射級(jí)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)期間，通過壓力注射級(jí)，通過一系列壓力注射脈沖將凸耳材料壓力浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，使得多個(gè)壓力注射脈沖將凸耳材料注射到纖維材料的不同的相鄰部分中，但是沿著凸耳區(qū)域形成連續(xù)的凸耳。

本發(fā)明的方法可能需要一系列壓力注射脈沖是受控制的一系列壓力注射脈沖。

本發(fā)明的方法可以在不在模具中包含纖維材料的凸耳區(qū)域部分的情況下執(zhí)行。

纖維材料的長度可以隨后跨越凸耳條帶進(jìn)行切割以形成多個(gè)單獨(dú)的電極元件，每個(gè)單獨(dú)的電極元件具有用于電極元件的外部連接的凸耳。

在至少一些實(shí)施例中，連續(xù)凸耳的沿著材料平面的寬度在約1mm至約200mm的范圍內(nèi)，并且壓力浸漬包括將凸耳材料從約0.1至約10mm²范圍內(nèi)的區(qū)域的孔口遞送到纖維材料中。

在至少一些實(shí)施例中：

壓力浸漬包括從與纖維材料的表面接觸的孔口或者與纖維材料的表面間隔開不超過2mm的孔口將凸耳材料遞送到纖維材料中，和/或

每個(gè)壓力注射脈沖的持續(xù)時(shí)間在約0.1至約2秒的范圍內(nèi)，和/或

纖維材料和壓力注射級(jí)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速率在約0.01m/s至10m/s的范圍內(nèi)，和/或

每個(gè)單獨(dú)孔口遞送的每個(gè)壓力注射脈沖的體積<1cm³,和/或

在注射的凸耳材料和纖維材料之間存在溫差，例如，注射溫度在約300℃至約500℃之間，纖維材料的溫度低于300℃，和/或

壓力脈沖的頻率至少為1hz，和/或

當(dāng)通過一系列壓力脈沖遞送時(shí)，凸耳材料包括可以電連接和/或機(jī)械連接的連續(xù)的凸耳材料條帶，和/或

一系列壓力脈沖可以以1個(gè)脈沖/0.1m至約200個(gè)脈沖/0.1m的范圍內(nèi)的速率遞送。

在至少一些實(shí)施例中，每個(gè)壓力注射脈沖的壓力在脈沖的末端處或朝向脈沖的末端比在每個(gè)脈沖的開始處或朝著每個(gè)脈沖的開始更高。

在另一方面，廣義地說，本發(fā)明包括一種纖維材料，其長度至少為1米，具有沿著纖維材料的長度的凸耳條帶，該凸耳條帶的寬度小于纖維材料的寬度，該纖維材料包括凸耳材料連續(xù)浸漬到纖維材料中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并電連接到纖維材料的纖維。

纖維材料可以具有至少10米的長度。

凸耳條帶可以形成在纖維材料的縱向邊緣處或附近，并且包括超過纖維材料的邊緣的凸耳延伸部。

通常，纖維材料是諸如碳纖維材料的非金屬材料，例如非織造(諸如流體纏結(jié)碳纖維材料、氈狀碳纖維材料)、針織或織造碳纖維材料。該材料的平均纖維間間距小于約250微米，在一些實(shí)施例中小于約200微米、小于約100微米、小于約50微米、小于約20微米、或小于約10微米。

在一些實(shí)施例中，浸漬材料浸漬纖維的至少約30％、至少約40％、至少約50％、至少約70％、至少約80％、或至少約90％、或至少約95％、或至少約98％、或至少約99％。

在上述所有實(shí)施例中，纖維材料可以是非織造材料(例如氈材料)、織造材料(包括相交的經(jīng)紗和緯紗)或針織材料。該材料可以是碳纖維材料，例如非織造、針織或織造的碳纖維織物，或者可以是玻璃纖維或硅基纖維材料。纖維(例如碳纖維)通常是多絲的，但也可以是單絲的。在一些實(shí)施例中，纖維材料的平均纖維間間距小于約250微米、或小于約200微米、小于約100微米、小于約50微米、小于約20微米或小于約10微米。纖維直徑可以在約1微米至約30微米、約4微米至約20微米、或約5微米至約15微米的范圍內(nèi)。(未浸漬)材料中的空隙度例如可以為至少約50％、或至少約60％、或至少約70％、或至少80％、或至少約95％、或至少約98％、或至少約99％。

在一些實(shí)施例中，浸漬凸耳材料是金屬。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬是pb或pb合金(這里兩者都被稱為pb)。在另一個(gè)實(shí)施例中，金屬是zn或zn合金(這里兩者都被稱為zn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，金屬是cd或cd合金(這里兩者都被稱為cd)。在另一個(gè)實(shí)施例中，金屬是al或al合金(這里兩者均包括為al)。作為另外一種選擇，浸漬凸耳材料可以是聚合物材料，例如導(dǎo)電聚合物。

在一些實(shí)施例中，纖維材料可以是已經(jīng)通過電弧放電處理的碳纖維材料。碳纖維材料可以通過使碳纖維材料在反應(yīng)室內(nèi)運(yùn)動(dòng)通過在電極的一側(cè)上包括多個(gè)相鄰電極的電極之間的間隙中的電弧或者通過多個(gè)相鄰的電極而進(jìn)行電弧處理，使得電弧存在于每個(gè)電極和材料之間。在其它實(shí)施例中，用作電極集電器材料的碳纖維材料可以在升高的溫度下進(jìn)行熱處理，例如在1200至2800℃的范圍內(nèi)。這種處理可以增加材料的導(dǎo)電性。

根據(jù)本發(fā)明，在電芯或電池中，一個(gè)或多個(gè)正極和/或一個(gè)或多個(gè)負(fù)極可以由具有凸耳的一層或多層纖維材料形成。本發(fā)明有時(shí)參照鉛酸(pb-acid，pb酸)電池的電極進(jìn)行了描述，但也可以應(yīng)用于諸如鋰離子電池的其它電池類型，并且也可以用于其它應(yīng)用中，例如在太陽能電池的電極中，或在電容器或超級(jí)電容器中。

在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包括包含本發(fā)明的pb酸電池和/或根據(jù)本文教導(dǎo)的方法制備的混合動(dòng)力車輛。在其它實(shí)施例中，混合動(dòng)力車輛具有啟停和/或再生制動(dòng)功能。在其它實(shí)施例中，當(dāng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，電池可帶動(dòng)附件負(fù)載。

本發(fā)明的制造方法和產(chǎn)品的益處在于，隨后切割成單個(gè)電極的連續(xù)纖維材料在其上形成有連續(xù)的凸耳條帶，而不是一系列單獨(dú)的分離的凸耳節(jié)段。這種連續(xù)的凸耳條帶用于在隨后的制造步驟和處理期間加強(qiáng)連續(xù)纖維材料，例如在將連續(xù)纖維材料切割成單獨(dú)的分離的電極之前進(jìn)行的活性材料的粘貼。具有沿著連續(xù)纖維材料的連續(xù)凸耳而不是一系列單獨(dú)的分離的凸耳節(jié)段，也可以使連續(xù)纖維材料更容易地供給通過隨后的制造步驟。

在廣義上，在另一個(gè)方面，本發(fā)明包括一種用于與纖維材料電極元件形成電連接的設(shè)備，其被布置成：使一定長度的纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然；以及通過壓力注射級(jí)，通過一系列壓力注射脈沖將凸耳材料壓力浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在凸耳區(qū)域中形成凸耳條帶。

在另一方面，廣義地說，本發(fā)明包括一種用于與導(dǎo)電纖維材料電極元件形成電連接的設(shè)備，其被布置成：使一定長度的導(dǎo)電纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然；以及通過壓力注射級(jí)，通過一系列壓力注射脈沖將導(dǎo)電凸耳材料壓力浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在凸耳區(qū)域中形成電連接到纖維材料的凸耳條帶。

在另一方面，廣義地說，本發(fā)明包括一種用于與纖維材料電極元件形成電連接的設(shè)備，其被布置成：使一定長度的纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然；以及通過壓力注射級(jí)，通過一系列壓力注射脈沖將凸耳材料壓力浸漬到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在凸耳區(qū)域中形成電連接到纖維材料的凸耳條帶。

在一些實(shí)施例中，該設(shè)備被布置成在纖維材料的縱向邊緣處或附近形成凸耳條帶。在一些實(shí)施例中，設(shè)備被布置成橫向穿過纖維材料形成凸耳條帶。在一些實(shí)施例中，凸耳條帶還包括超出纖維材料邊緣的一個(gè)或多個(gè)凸耳延伸部。在一些實(shí)施例中，凸耳延伸部可以例如通過沖壓從凸耳條帶切出。

在一些實(shí)施例中，該設(shè)備被布置成通過在散熱器傳送器上輸送纖維材料，使纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然。在一些實(shí)施例中，散熱器傳送器包括旋轉(zhuǎn)滾筒，并且纖維材料穿過旋轉(zhuǎn)滾筒和壓力注射級(jí)之間的輥隙。

在本說明書中，“凸耳”是指使纖維電極能夠進(jìn)行外部連接的任何導(dǎo)電元件或連接器，而不管物理或機(jī)械形式如何。

在本說明書中，“凸耳區(qū)域”和“凸耳區(qū)”可互換使用并且具有相同的含義，是指在成形凸耳之后包括包封纖維材料的凸耳材料基體的纖維材料的區(qū)域，可選地，凸耳區(qū)域還可以包括連續(xù)地或間隔地延伸到該基體的一側(cè)的實(shí)心凸耳材料的延伸部。

在本說明書中，關(guān)于凸耳的“基體”是指以具有長度、寬度和深度的3維結(jié)構(gòu)將纖維材料封裝在凸耳區(qū)域中的凸耳材料。

在本說明書中，“混合動(dòng)力車輛”是指這樣一種車輛，其結(jié)合有怠速消除(啟停功能)、再生制動(dòng)以及內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)的任何組合中的任何一個(gè)，其中內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)中的一個(gè)、另一個(gè)或兩者可以提供驅(qū)動(dòng)功能，混合動(dòng)力車輛也可以包括僅可以是部分混合動(dòng)力車輛的車輛。

更一般地，本發(fā)明的方法可以用于與不是電極元件的纖維材料形成電連接，或甚至更通常地用于將不是導(dǎo)電的第一材料浸漬到纖維材料中而不用于與纖維材料形成電連接，而是用于其它工業(yè)目的，因此比上述更寬泛地描述，本發(fā)明可以被認(rèn)為包括用于在第二纖維材料的厚度內(nèi)和穿過第二纖維材料的厚度形成第一材料的整體區(qū)域的方法，其包括：使一定長度的纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然；以及通過壓力注射級(jí)，通過一系列壓力注射脈沖將第一材料壓力浸漬到纖維材料的一部分區(qū)域中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在纖維材料中形成浸漬材料的區(qū)域。

在另一方面，廣義地說，本發(fā)明包括一種用于在第二纖維材料的較大面積的厚度內(nèi)和穿過第二纖維材料的較大面積的厚度形成第一材料的整體區(qū)域的方法，其包括：使一定長度的纖維材料相對(duì)于壓力注射級(jí)運(yùn)動(dòng)，或反之亦然；以及通過壓力注射級(jí)，(在模具中不包含纖維材料的情況下)將第一材料壓力浸漬到纖維材料的一部分區(qū)域中，以圍繞和/或穿透纖維材料的纖維并在纖維材料中形成浸漬材料的區(qū)域條帶。

此外，本發(fā)明的方法可以用于沿著纖維材料的長度和寬度增加纖維材料的拉伸強(qiáng)度，使其比不采用本發(fā)明的方法的情況更強(qiáng)。

本說明書中使用的術(shù)語“包括”意指“至少部分地由……構(gòu)成”。當(dāng)解釋本說明書中包含術(shù)語“包括”的每個(gè)語句時(shí)，也可以存在除該術(shù)語之前的特征之外的特征。相關(guān)術(shù)語如“包含”和“具有”將以相同的方式解釋。

附圖說明

參考附圖，以舉例的方式進(jìn)一步描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中：

圖1示出了通過本發(fā)明的方法實(shí)施例形成的具有pb凸耳的碳纖維材料電極，

圖2是包括多層碳纖維材料和凸耳的電極的示意性橫截面，

圖3是與圖2類似的電機(jī)的示意性橫截面，但是包括單層碳纖維材料和凸耳，

圖4示出了碳纖維材料的一部分的近視示意圖，其上形成有pb凸耳條帶，

圖5是通過壓力注射器頭部下方的碳纖維材料的示意性橫截面視圖，

圖6是壓力注射級(jí)的示意性橫截面視圖，

圖7是在一個(gè)實(shí)施例中纖維材料進(jìn)入和離開壓力浸漬級(jí)以形成單個(gè)縱向邊緣凸耳條帶的示意性平面圖，

圖8是在另一個(gè)實(shí)施例中纖維材料進(jìn)入和離開壓力浸漬級(jí)以沿兩個(gè)縱向邊緣形成凸耳條帶的示意性平面圖，

圖9a和9b是如實(shí)驗(yàn)實(shí)施例中所述的其中形成有pb凸耳條帶的碳纖維氈的一部分的上側(cè)和下側(cè)的圖像，

圖10a和10b是如實(shí)驗(yàn)實(shí)施例中所述的在碳纖維氈上形成的pb凸耳條帶(單獨(dú))的一部分的下側(cè)和頂側(cè)的圖像，

圖11是形成在碳纖維氈上的pb凸耳條帶的一部分的下側(cè)的sem圖像，

圖12a是在碳纖維氈上形成的穿過pb凸耳條帶(單獨(dú))切割的sem圖像，

圖12b是比圖12a具有更高放大倍數(shù)的sem圖像，顯示了在單獨(dú)纖維周圍和之間的具有低空隙率的pb浸漬，

圖13是凸耳成形機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的透視圖，

圖14是圖13的凸耳成形機(jī)的側(cè)視圖。

圖15是沿著圖13的線ii-ii截取的凸耳成形機(jī)的示意性縱向剖視圖，

圖16是沿著注射器頭部的圖13的ii-ii線截取的放大示意性垂直橫截面視圖，其放大以顯示更大尺度的操作部件，

圖17是沿著圖13的iii-iii線截取的凸耳成形機(jī)的側(cè)視圖，

圖18是沿著圖16的注射器頭部的圖13的iii-iii線截取的示意性垂直橫截面視圖，其被放大以更大尺度顯示操作部件，

圖19是類似于圖16的放大示意性垂直橫截面視圖，但是是注射器頭部的替代實(shí)施例的視圖，以及

圖20是類似于圖18的放大示意性垂直橫截面視圖，但是是注射器201/202的圖19的替代實(shí)施例的注射器頭部的進(jìn)一步放大視圖。

具體實(shí)施方式

凸耳

圖1示出了用于pb酸電芯或電池的導(dǎo)電纖維電極(例如碳纖維電極)的截面，其例如具有通過本發(fā)明的壓力浸漬實(shí)施例在纖維材料上形成的一種形式的凸耳(例如pb凸耳)。纖維材料用1表示，凸耳用2表示。凸耳可以具有與纖維材料厚度(單層或多層)相似的厚度(通過材料平面的尺寸)或更小的厚度，或者可以具有更大的厚度。圖2是示出了凸耳區(qū)域50和電極區(qū)域51兩者的類似電極的示意性橫截面。圖2中的電極包括多個(gè)纖維材料層1和凸耳2。圖3是與圖2類似的電機(jī)的示意性橫截面，但是包括單層碳纖維材料和凸耳。在所示的實(shí)施例中，凸耳具有超出纖維材料邊緣的凸耳延伸部3，其包括僅僅是諸如pb的實(shí)心凸耳材料的凸耳材料。凸耳通常由諸如pb或pb合金、zn或zn合金、或者cd或cd合金、或者al或al合金的金屬形成，但是作為另外一種選擇也可以由其它凸耳材料形成，例如導(dǎo)電聚合物。

在所示的實(shí)施例中，凸耳沿著電極的單個(gè)邊緣延伸，該單個(gè)邊緣是單個(gè)上邊緣，但是作為另外一種選擇，凸耳可以沿著電極的兩個(gè)或更多個(gè)邊緣延伸，凸耳的形狀可以是彎曲的或弓形的(拱形的)，和/或凸耳可以形成為延伸跨越電極的中心區(qū)域和/或延伸跨越電極區(qū)域。此外，可以提供橫向/大尺度集電器52，該集電器以與將要描述的凸耳形成方式相同的方式形成，該集電器從凸耳區(qū)域延伸跨越并延伸到電極區(qū)域內(nèi)的任何位置。優(yōu)選地，大尺度集電器延伸到電極的與凸耳區(qū)域沿直徑相對(duì)的邊緣。

在一些實(shí)施例中，電極材料的基本上所有或至少大部分纖維連續(xù)地跨越電極延伸到或穿過凸耳。

纖維材料可以是非織造織物，例如流體纏結(jié)的、氈制的、針織的或編織的纖維織物，特別是例如流體纏結(jié)的、氈制的、針織的或編織的碳纖維織物的非織造織物。作為另外一種選擇，材料可以是玻璃纖維或硅基纖維材料，其可以涂覆有通常為金屬的導(dǎo)電材料，例如pb膜或涂層。纖維(例如碳纖維)通常是多絲的，但也可以是單絲的。在至少一些實(shí)施例中，纖維材料的平均纖維間間距小于約250微米、小于約100微米、小于約50微米、小于約20微米、或小于約10微米。在至少一些實(shí)施例中，纖維直徑在約1微米至約30微米、約4微米至約20微米、或約5微米至約15微米的范圍內(nèi)。(未浸漬)材料中的空隙率可以在約50％至至少約99％、約40％至約99％、或約30％至約98％、或約20％至約98％、或約15％至約98％、或約10％至約95％的范圍內(nèi)。未浸漬材料的這種空隙率是不被纖維材料的纖維占據(jù)的空間(空隙率)。

在一些實(shí)施例中，浸漬材料浸漬至少約50％、至少約60％、至少約780％、或至少約80％、或至少約90、或至少約95％、或至少約98％之間的空隙纖維材料。未浸漬材料的這種空隙率是不被纖維材料本身或已經(jīng)浸漬纖維材料的浸漬材料所占據(jù)的空間(空隙率)，即浸漬后的未浸漬材料的殘留空隙率。

在一些實(shí)施例中，纖維材料中的纖維間空隙率(由在未浸漬的材料中未被纖維占據(jù)的材料的外部尺寸限定的總體積的一部分)通過將凸耳材料浸漬到纖維之間的纖維間空隙中而減小到初始纖維間空隙率的至少約50％、至少約70％、至少約80％、至少約90％、至少約95％、至少約98％、或至少約99％。

在一些實(shí)施例中，纖維材料的纖維是多絲纖維，并且浸漬凸耳材料也穿透細(xì)絲之間，從而也降低纖維間空隙率。在一些實(shí)施例中，纖維間隙空隙率也降低至未浸漬的纖維材料中的纖維間空隙率的約40％、至約30％、至約25％、至約20％、至約10％、至約5％、或至約1％。

凸耳材料的基體將微尺度碳纖維電極材料封裝在凸耳區(qū)域中。在微尺度碳纖維電極材料和凸耳之間形成極低電阻連接。凸耳材料和纖維之間的空隙率也被最小化，防止或最小化電池電解質(zhì)隨后進(jìn)入凸耳到纖維連接并使連接變壞，因此連接更加耐用。

任選地，凸耳材料和纖維和/或細(xì)絲之間的任何殘余(開孔/多孔)空隙率可以通過填充有對(duì)電解質(zhì)基本上惰性的材料(例如非導(dǎo)電聚合物，如環(huán)氧樹脂)來減小。

任選地，浸漬材料(對(duì)電解質(zhì)不是惰性的)通過惰性材料屏障受到保護(hù)而免于大部分電解質(zhì)。

任選地，浸漬凸耳材料可以是導(dǎo)電的但對(duì)電池電解質(zhì)(例如pb酸電池電解質(zhì))基本上惰性的材料，例如鈦。

導(dǎo)電或碳纖維材料具有的厚度(橫向于電極的長度和寬度或平面尺寸)可以比電極的平面尺寸或任何平面尺寸小許多倍，例如小約10、20、50或100倍。該厚度例如可以小于約5mm或小于約3mm或小于約2mm或小于約1.5mm或小于約1mm或?yàn)榧s0.2mm。例如，電極的平面長度和寬度尺寸中的每一個(gè)可以大于約50或約100mm。這樣的電極具有小厚度的平面形式。在優(yōu)選形式中，電極基本上是平面的，并且沿電極的至少一個(gè)邊緣距用于外部連接的金屬凸耳的尺寸小于約100mm或小于約70mm、或小于約50mm、或?yàn)榧s30mm或更小(具有或不具有橫向/大尺度集電器)。作為另外一種選擇，這樣的平面形狀可以形成為例如圓柱形電極。

連續(xù)凸耳制造

根據(jù)本發(fā)明，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)電極的快速大批量制造，連續(xù)纖維材料例如從許多米的材料的卷中展開，連續(xù)地運(yùn)動(dòng)或至少通過階梯式運(yùn)動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過壓力注射級(jí)，在該壓力注射級(jí)通過一系列壓力注射脈沖將凸耳材料壓力浸漬到纖維材料中。多個(gè)壓力注射脈沖可以將凸耳材料注射到纖維材料的不同相鄰部分中，但是沿著凸耳區(qū)域形成連續(xù)的凸耳。凸耳材料優(yōu)選地從其被注射到相對(duì)表面或側(cè)面的表面或側(cè)面滲透到纖維材料中。通常，纖維材料是片狀(平面)形式。本發(fā)明的方法可以在不在模具中包含纖維材料的凸耳區(qū)域部分的情況下執(zhí)行。纖維材料的長度可以隨后跨越凸耳條帶進(jìn)行切割以形成多個(gè)單獨(dú)的電極元件，每個(gè)單獨(dú)的電極元件具有用于電極元件的外部連接的凸耳。作為另外一種選擇，壓力注射級(jí)可以沿著連續(xù)纖維材料的長度移動(dòng)。本發(fā)明的方法可以通過在纖維運(yùn)動(dòng)通過壓力注射器頭部部時(shí)施加連續(xù)壓力注射來執(zhí)行。

圖4示出了纖維材料10的一部分的近視圖，其上形成有凸耳條帶11。纖維材料10在浸漬期間在注射器頭部下方沿箭頭a的方向運(yùn)動(dòng)，而多個(gè)壓力注射脈沖在其運(yùn)動(dòng)時(shí)將熔融的凸耳材料注射到纖維材料中。例如，纖維材料可以在用作散熱器的傳送器(例如金屬傳送器，例如拉緊的金屬帶或旋轉(zhuǎn)鼓)上運(yùn)動(dòng)，而多個(gè)壓力注射脈沖在其運(yùn)動(dòng)時(shí)將熔融的凸耳材料注射到纖維材料中。材料在注射器頭部下方運(yùn)動(dòng)的速度、在每個(gè)注射器脈沖或注射時(shí)注射的熔融凸耳材料的體積、注射器脈沖的持續(xù)時(shí)間和頻率、注射器脈沖之間的持續(xù)時(shí)間、纖維材料的溫度和熔融的凸耳材料的溫度，相互協(xié)調(diào)以使得從每個(gè)新的注射器脈沖浸漬到纖維材料中的熔融的凸耳材料在與先前的注射器脈沖處注射的纖維材料中的凸耳材料熔融的同時(shí)融合，以形成連續(xù)的凸耳條帶11。這是受控的過程，以確保不會(huì)引入太多的凸耳材料而使得其溢出超出纖維材料的上表面或下表面的極限，或超出纖維材料內(nèi)的期望路徑。

在圖4中，沿著凸耳條帶11的長度的圓均示意性地表示通過相繼的注射器脈沖注射的凸耳材料。已經(jīng)通過這些相繼的脈沖注射的凸耳材料均電氣地和/或機(jī)械地單獨(dú)連接和/或聯(lián)結(jié)以提供連續(xù)的凸耳條帶。該條帶很大程度上不受外界環(huán)境的影響。為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)相繼脈沖之間的這種連接，例如每個(gè)壓力注射脈沖的持續(xù)時(shí)間可以在約0.1至約2秒、或約0.1至1秒、或約0.1至約80毫秒、或約0.1至約50毫秒、或約0.1至約30毫秒、或約0.1至約10毫秒的范圍內(nèi)，并且例如注射器脈沖可以以約0.1至約2秒、或約0.1至1秒、或約0.1至約80毫秒、或約0.1至約50毫秒、或約0.1至約30毫秒、或約0.1至約10毫秒的間隔分開，并且纖維材料和壓力注射級(jí)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率在約0.01m/s至10m/s、或約0.01m/s至8m/s、或約0.01m/s至5m/s的范圍內(nèi)。在其它實(shí)施例中，壓力脈沖的速率大于1hz、大于5hz、大于10hz或大于20hz。在其它實(shí)施例中，當(dāng)沿機(jī)器方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，每0.1m長度的凸耳區(qū)域的一系列脈沖可以在1個(gè)脈沖/0.1m至200個(gè)脈沖/0.1m的范圍內(nèi)，或在5個(gè)脈沖/0.1m至150個(gè)脈沖/0.01m的范圍內(nèi)，或在10個(gè)脈沖/0.01m至125個(gè)脈沖/0.01m的范圍內(nèi)，或在20個(gè)脈沖/0.01m至100個(gè)脈沖/0.01m之間的范圍內(nèi)，或30個(gè)脈沖/0.01m至90個(gè)脈沖/0.01m之間的范圍內(nèi)。

當(dāng)注射的凸耳材料被注射時(shí)，其通過傳導(dǎo)至散熱器傳送器而在較大程度上冷卻，并且還當(dāng)其沿機(jī)器方向遠(yuǎn)離注射器頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)，其冷卻并固化。因此，沿著纖維材料的長度形成浸漬到纖維材料中的連續(xù)的實(shí)心凸耳條帶11。連續(xù)的凸耳條帶可以例如具有在約2至約150mm的范圍內(nèi)的寬度。凸耳條帶可以沿著或靠近纖維材料的一個(gè)或兩個(gè)相對(duì)的長(在機(jī)器方向上)邊緣形成和/或在纖維材料中居中地形成，并且纖維材料的長度不僅橫向地切割成單獨(dú)的電極節(jié)段，而且還縱向地切割成單獨(dú)的電極節(jié)段。在還提供的情況下，橫向/大尺度集電器例如可以具有在約2至約150mm范圍內(nèi)的寬度。作為示例，相對(duì)于纖維材料、散熱器傳送器和熔融凸耳材料的溫度，在纖維材料和帶的初始溫度為15℃的情況下，于是熔融凸耳材料(如果是pb)的過熱可以高于pb的熔點(diǎn)約25℃，但也可以高于熔點(diǎn)高達(dá)150℃。

在至少一些實(shí)施例中，每個(gè)壓力注射脈沖的壓力在脈沖的末端處或朝向脈沖的末端比在每個(gè)脈沖的開始處或朝著每個(gè)脈沖的開始更高。在每個(gè)注射脈沖下，浸漬到纖維材料中的第一凸耳材料可能開始凝固，因而變得液體較少，如果以相同脈沖注射的凸耳材料的后面部分被壓入具有較高壓力的材料中，那么將有助于將凸耳材料進(jìn)一步浸漬到纖維材料中。

圖5是通過具有出口孔口13的壓力注射器頭部部12下方的纖維材料10的示意性橫截面圖，圖6是壓力注射級(jí)的較大示意性橫截面圖。每個(gè)孔口13可以例如具有用于遞送小于或等于1cm³熔融材料的區(qū)域。注射器頭部可以接觸運(yùn)動(dòng)通過該注射器頭部的纖維材料10的表面，或者如圖所示甚至輕微壓縮該表面，例如壓縮其自由深度的約10-20％，或者從纖維材料的表面上方間隔開例如不超過10mm。通過注射器頭部對(duì)纖維材料的壓縮可以有助于限制熔融的pb過度擴(kuò)散穿過纖維材料的頂部表面，并且相反有助于熔融的鉛進(jìn)入纖維材料。

圖7是在一個(gè)實(shí)施例中纖維材料10進(jìn)入和離開壓力浸漬級(jí)14的示意性平面圖。圖8是在另一個(gè)實(shí)施例中纖維材料10進(jìn)入和離開壓力浸漬級(jí)14的示意性平面圖。纖維材料在機(jī)器方向a上運(yùn)動(dòng)。在圖7的實(shí)施例的壓力浸漬級(jí)14中，沿著纖維材料的一個(gè)縱向邊緣形成連續(xù)的凸耳條帶11，另外，間隔開的凸耳延伸部3超過纖維材料的邊緣。穿過纖維材料和凸耳條帶的虛線表明隨后將被切割以形成單個(gè)電極元件的位置。在圖8的實(shí)施例的壓力浸漬級(jí)14中，沿著纖維材料的兩個(gè)縱向邊緣形成連續(xù)的凸耳條帶11，另外，可選地間隔開的凸耳延伸部3超過纖維材料的兩個(gè)邊緣。作為另外一種選擇，凸耳延伸部可以由單獨(dú)的切割機(jī)(例如沖壓機(jī))切割而成，該切割機(jī)相對(duì)于凸耳成形機(jī)協(xié)調(diào)地或單獨(dú)地設(shè)置。凸耳條帶可以進(jìn)一步經(jīng)受修剪級(jí)以移除任何多余的東西，以形成期望的凸耳尺寸和形狀。來自修整和/或附加切割級(jí)以形成凸耳延伸部的任何這種修剪的凸耳材料可以被網(wǎng)狀系統(tǒng)捕獲，該網(wǎng)狀系統(tǒng)捕獲移除的修剪物并將該修剪物運(yùn)送回到罐中，以保持熔融金屬再次使用。

同樣在圖8的實(shí)施例中，壓力注射級(jí)形成沿著纖維材料的縱向邊緣橫向穿過凸耳條帶11之間的纖維材料的凸耳條帶18。在圖7的實(shí)施例的變型形式中，這樣的橫向凸耳條帶18可以沿著縱向邊緣從邊緣凸耳條帶延伸到纖維材料的相對(duì)邊緣，或者部分地穿過纖維材料的寬度。再次參見圖8，沿著纖維材料的縱向邊緣的凸耳條帶11可以由注射級(jí)14的最外側(cè)注射孔口(用a和z示意性地表示)形成，凸耳材料通過該最外側(cè)注射孔口接近連續(xù)地注射以形成邊緣凸耳條帶11，而間隔開的橫向凸耳條帶18可以由之間的多個(gè)注射孔口b-y形成，當(dāng)纖維材料在注射級(jí)下方運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸耳材料通過這些注射孔口僅僅周期性地注射。在操作中，全部同時(shí)操作相同的持續(xù)時(shí)間以注射凸耳材料，并且注射孔口b-y彼此間隔開，使得通過每個(gè)注射孔口同時(shí)浸入纖維材料中的凸耳材料合并并固化以形成橫跨纖維材料寬度的固體條帶。

圖6是壓力浸漬級(jí)的示意性橫截面圖。相似的附圖標(biāo)記表示與上述相同的部分。通過孔口13注射到纖維材料10中的熔融金屬通過在腔室15內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞而在壓力下穿過孔口。將設(shè)定體積的凸耳金屬注射到纖維材料中的一個(gè)活塞行程可以包括注射器的一個(gè)“脈沖”。注射器系統(tǒng)可以被布置成增加注射壓力，使得進(jìn)入纖維的金屬的注射壓力在脈沖的末端處或朝向脈沖的末端比在每個(gè)脈沖的開始處或朝向每個(gè)脈沖的開始更高。對(duì)于圖5所示的簡單的單閥機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，閥的關(guān)閉花費(fèi)循環(huán)時(shí)間的相當(dāng)大的一部分，并且熔融金屬以降低的速率通過閥漏回，直到其關(guān)閉。因此，由于活塞運(yùn)動(dòng)，注射器孔口上方的空間中的可用壓力隨著閥關(guān)閉而逐漸增加到最大值。

圖13至18示出了凸耳成形機(jī)的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，機(jī)器包括并排的壓力注射器201和202，以在連續(xù)纖維材料穿過機(jī)器時(shí)沿連續(xù)纖維材料的相對(duì)的縱向邊緣形成連續(xù)的凸耳。注射器安裝在為旋轉(zhuǎn)滾筒500形式的傳送器上，這全部由框架203承載。滾筒傳送器500的穿過旋轉(zhuǎn)軸線的寬度等于或大于纖維材料的穿過機(jī)器方向的寬度，使得滾筒支撐纖維材料的整個(gè)寬度。

在操作中，當(dāng)來自注射器頭部201和202的壓力注射脈沖沿著任一邊緣將凸耳材料浸入纖維材料中以沿著每個(gè)邊緣形成連續(xù)的凸耳時(shí)，纖維材料穿過旋轉(zhuǎn)滾筒500和壓力注射器頭部部201和202之間的間隙。圖16是沿著圖13的ii-ii線截取的放大示意性垂直橫截面圖，并且示出了纖維材料100的一部分的近視圖，在該部分上形成有凸耳條帶101。纖維材料100在浸漬期間在注射器頭部下方沿箭頭d的方向運(yùn)動(dòng)，并且由旋轉(zhuǎn)滾筒支撐，該旋轉(zhuǎn)滾筒也用作用于快速冷卻熔融pb的散熱器傳送器，以使其在離開間隙時(shí)快速冷卻。

另外，圖16以更大的尺度示出了注射器201/202的操作部件。如箭頭g所示，注射器活塞207在活塞塊體208中的缸210內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且在每個(gè)向下行程中將熔融的凸耳材料從加熱的貯存器209推出，該凸耳材料填充缸210，通過端口211，直到活塞207抵靠閥座212，然后活塞關(guān)閉端口211。足部或注射器頭部215的下表面彎曲，彎曲的半徑匹配滾筒500，使得纖維材料被保持在注射器頭部215和滾筒500之間的間隙中，并且可在所述的兩者之間被稍微壓縮，例如被壓縮到纖維材料的自由厚度的約80％。加熱器501可以設(shè)置在塊體208中，以確保塊體被保持在不會(huì)使熔融材料部分地冷卻或凍結(jié)在缸或端口中的溫度。還參考圖18，熔融的凸耳材料從端口211離開，進(jìn)入設(shè)置在注射器頭部215中的腔室213。熔融的凸耳材料圍繞板214流動(dòng)，以確保熔融流體均勻地分布到所有注射器出口孔口217，并且從出口孔口217進(jìn)入纖維材料的一部分并進(jìn)入與纖維材料相鄰的空隙，以形成一起形成凸耳區(qū)域的鉛和纖維的復(fù)合區(qū)域以及實(shí)心鉛區(qū)。隨著活塞在下一次向下行程之前向上運(yùn)動(dòng)，在活塞在下一個(gè)注射脈沖向下運(yùn)動(dòng)之前，熔融的pb從貯存器209將缸210重新填充。離開孔口217的熔融pb浸漬在注射器202下方通過的纖維材料和相鄰空隙，并隨著材料離開滾筒500和注射器頭部201之間的空間而快速冷卻以形成連續(xù)的凸耳。該系統(tǒng)需要塊體208和注射器頭部215和滾筒500的溫度控制，以確保熔融鉛流在注射/鑄造點(diǎn)的下游足夠快速地凍結(jié)或固化，以便產(chǎn)生對(duì)上游熔融鉛的屏障，但不會(huì)太快地凍結(jié)而導(dǎo)致注射/鑄造點(diǎn)下面的堵塞。

圖19類似于圖16，圖20類似于圖18，但進(jìn)一步放大，圖19和20示出了注射器201/202的替代實(shí)施例的操作部件。除非另有說明，否則圖19和20中相同的附圖標(biāo)記表示與圖16和18相同的部件，其以相同的方式操作。不同之處在于，在圖16和18的實(shí)施例中，在每個(gè)向下行程處在缸210中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的單個(gè)注射器活塞207將熔融的凸耳材料推過注射器頭部215，以形成鉛和纖維的復(fù)合區(qū)域101以及實(shí)心鉛區(qū)域，在圖19和20的雙流實(shí)施例中，活塞207通過注射器頭部215推動(dòng)熔融凸耳材料的(相對(duì)較高的壓力)脈沖，以形成鉛和纖維的復(fù)合區(qū)域，并且閥307同時(shí)測(cè)量通過注射器頭部215以形成實(shí)心鉛區(qū)域的較低壓力的熔融凸耳材料的連續(xù)流。閥307在同一活塞塊體208中的腔室310中運(yùn)動(dòng)，并沿箭頭g'的方向開口，以允許熔融的凸耳材料的較低壓力流從加熱的同一貯存器209通過端口311進(jìn)入設(shè)置在注射器頭部215中的腔室313，然后從出口孔口317b進(jìn)入與纖維材料100相鄰的空隙中以形成實(shí)心鉛區(qū)域，同時(shí)由往復(fù)活塞207通過端口211驅(qū)動(dòng)的熔融凸耳材料從出口孔口317a流入到纖維材料的一部分中以形成相鄰的鉛和纖維復(fù)合區(qū)域(而不是在圖16和18的實(shí)施例中的通過孔口217)。離開孔口317a的熔融材料浸漬纖維材料，離開孔口317b的熔融材料填充相鄰的空隙，并且熔融材料隨著材料離開滾筒500和注射器頭部之間的空間而迅速冷卻，以沿著纖維材料的邊緣形成連續(xù)的凸耳和凸耳延伸部。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在熔融材料為鉛的情況下，為了減少注射器孔口的可能的阻塞，可能有利的是鉛包括較小比例的sn，使得熔融材料包括pb-sn合金。低壓和高壓流與纖維材料的行進(jìn)速度同步，以將正確體積的鉛同時(shí)輸送到纖維材料的邊緣區(qū)域101和相鄰的空隙中以形成實(shí)心的凸耳延伸部。該實(shí)施例包括：第一壓力注射器，其被布置成將凸耳材料浸入到纖維材料的凸耳區(qū)域部分中；以及相鄰的第二壓力注射器，其被布置成將凸耳材料遞送到相鄰的空隙中，以形成與纖維材料的凸耳區(qū)域部分相鄰的實(shí)心凸耳延伸部。

凸耳成形機(jī)可以包括纖維材料進(jìn)料系統(tǒng)，該纖維材料進(jìn)料系統(tǒng)將纖維材料吸取通過凸耳成形機(jī)，該纖維材料進(jìn)料系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具體地驅(qū)動(dòng)可選的夾緊輥221在機(jī)器方向上經(jīng)過旋轉(zhuǎn)滾筒的離開側(cè)，該夾緊輥接觸正好在任一側(cè)上形成在纖維材料上的連續(xù)長度方向的凸耳的相對(duì)面。

在替代實(shí)施例中，布置成沿著纖維材料的邊緣形成凸耳并且還沿著凸耳的邊緣或以間隔開的間距連續(xù)地形成實(shí)心凸耳延伸部，在纖維材料的邊緣如上所述已經(jīng)被浸漬之后，單獨(dú)地形成的凸耳延伸部可以通過例如超聲熔焊或釬焊在一起而附接到凸耳。

以上已經(jīng)關(guān)于形成與纖維材料電極元件的電連接來描述上述實(shí)施例。電極元件的纖維材料可以是導(dǎo)電的，例如pb酸電池中的負(fù)極或正極所需的，或者可以是不導(dǎo)電的，例如在某些情況下對(duì)于pb酸電池中的負(fù)極而言。例如，正極可以由已被氧化成氧化的pan纖維(opf)的聚丙烯腈纖維材料(pan)形成，該pan纖維接下來未經(jīng)過碳化，這將使其是導(dǎo)電的。本發(fā)明還可以用于與不是電極元件的纖維材料形成電連接，或者甚至更一般地用于將也不是導(dǎo)電的第一材料浸漬到纖維材料中而不用于形成與纖維材料的電連接，而是用于其它工業(yè)目的，例如用于加強(qiáng)和/或建筑目的。

電池或電芯構(gòu)造

如上所述，形成在纖維材料電極上的凸耳還可以包括如前所述的橫向/大尺度集電器(例如參見圖1中的52)，其形成方式與凸耳相同，即通過壓力浸漬到纖維材料中，如上所述。這種橫向/大尺度集電器可以從凸耳區(qū)域相對(duì)于凸耳區(qū)域以任何角度延伸穿過并延伸到電極區(qū)域內(nèi)的任何位置，以便除了通過凸耳的碳纖維材料本身的微尺度通路之外還提供從碳纖維到金屬凸耳的附加大尺度電流收集通路。雖然涉及這樣的橫向/大尺寸集電器，但也可以認(rèn)為是凸耳的一部分，該凸耳部分穿過材料而不僅僅沿著一個(gè)或多個(gè)邊緣通過/浸漬。作為另外一種選擇或除此之外，形成在如上所述的纖維材料電極上的凸耳還可以在纖維材料的一側(cè)或兩側(cè)上包括導(dǎo)電地附接到電極材料和凸耳的金屬線材或帶，以便除了通過凸耳的碳纖維材料本身的微尺度通路之外還提供從碳纖維到金屬凸耳的額外的橫向/大尺度電流收集通路。金屬線材或帶可以例如通過用不會(huì)溶解在電池電解質(zhì)中的線進(jìn)行縫合或縫制或者通過將集電器保持就位的其它惰性pb酸電池粘合材料(例如樹脂、水泥或灌封混合物)而附接到纖維材料。金屬線材或帶可以在制造過程中被壓入到纖維材料中。作為另外一種選擇，線材或帶或類似物可以釬焊到或印刷在纖維材料上。金屬線材或帶可以在纖維材料的一側(cè)或兩側(cè)上以彎曲的形狀布置，在電極的一個(gè)邊緣(在該邊緣處，線材或帶通過嵌入到凸耳中而導(dǎo)電地連接到凸耳)處的凸耳以及在電極的另一個(gè)間隔開的邊緣處或朝向該另一個(gè)間隔開的邊緣的凸耳之間連續(xù)延伸。作為另外一種選擇，線材或帶可以沿著電極的相對(duì)邊緣或沿著圍繞電極的框架在金屬凸耳之間延伸。作為另外一種選擇，線材或帶的分開的長度可以從一個(gè)邊緣處的凸耳延伸到電極的另一個(gè)邊緣或朝向另一個(gè)邊緣延伸，或者替代地，所描述的線材或帶大導(dǎo)體可以包括附接在纖維材料的一側(cè)或兩側(cè)上的金屬網(wǎng)。線材或帶或網(wǎng)的端部可以終止并嵌入凸耳中。重要的是，當(dāng)集電器位于用作負(fù)極的電極的外表面上時(shí)，集電器被保護(hù)免受來自正極的陽極氧化。優(yōu)選地，線材或帶在電極的寬度上以相等的間距跨越電極的長度上下延伸，而沒有任何交叉點(diǎn)，以防止局部熱點(diǎn)發(fā)生或特定區(qū)域的熱積聚，在整個(gè)電極上具有均勻的電流收集。優(yōu)選地，線材或帶或網(wǎng)或相似的橫向/大尺度電流收集系統(tǒng)的體積小于電極的體積(不包括凸耳或周圍的金屬框架或類似物)的約15％。

通常在電池或電芯構(gòu)造期間，纖維材料用漿料浸漬，其中在優(yōu)選的形式中，該漿料包括pb和pbo的pb和pbo顆粒以及流體的混合物。在一些實(shí)施例中，流體是水、酸或醇。優(yōu)選地，酸是稀硫酸。優(yōu)選地，醇是乙醇。作為另外一種選擇，漿料可以包括硫酸鉛(pbso4)顆粒和稀硫酸。在一些實(shí)施例中，電極所浸漬的漿料包括稀硫酸，該稀硫酸按重量計(jì)包含大于0％至約6％之間、或0.25％至約5％之間、或0.25％至約4.5％之間、或1％至約4％之間、或1％至約3.5％之間、或0％至約2％之間、或0.5至2.5％之間的硫酸漿料。pb基顆?？梢园梢跃哂?0微米或更小的平均尺寸的碾磨或化學(xué)形成的顆粒，其尺寸足夠小以容易地配合在纖維之間的空間中。漿料或活性材料可以填充碳纖維電極直至凸耳，使得活性材料接觸或鄰接纖維進(jìn)入凸耳并且直接電連接到凸耳處的凸耳，不僅在纖維材料的任一側(cè)的表面上，還通過纖維材料的厚度，并且沿著該邊界處的凸耳材料和非凸耳材料浸漬的纖維材料之間的邊界的大部分或基本上所有長度，或者可以不到達(dá)凸耳，使得在漿料和凸耳之間存在小的間隙，例如最多約5mm的間隙。在優(yōu)選實(shí)施例中，如上所述，形成有凸耳，以便使得諸如pb突起的凸耳的突起進(jìn)入活性材料中，該活性材料浸漬到碳纖維材料中。

如所述，優(yōu)選地，活性材料中pb顆粒的表面與體積比例比凸耳區(qū)域中的凸耳材料的表面與體積比例大至少約3倍、或優(yōu)選約5倍、或優(yōu)選約10倍、或優(yōu)選約20倍。優(yōu)選地，活性材料中pb顆粒的表面與體積比例大于約2m²/cm³或大于約1m²/cm³，并且凸耳區(qū)域中的凸耳材料的表面與體積比例小于約0.05m²/cm³。已被注射到纖維層中以在進(jìn)入時(shí)冷卻的熔融凸耳材料相關(guān)聯(lián)的表面有可能類似于將要冷卻的纖維的表面積或更小。例如，對(duì)于1m²的表面積，碳?xì)志哂械睦w維的圓柱形表面的面積可以等于每毫米厚度大約20m²，相當(dāng)于每cm³氈總體積0.02m²。因此，在該纖維網(wǎng)絡(luò)周圍流動(dòng)的熔融鉛將(通過首先冷凍至冷纖維上)形成鉛結(jié)構(gòu)，該鉛結(jié)構(gòu)具有的分支的直徑大于纖維的直徑，即這種鉛載氈的分支的直徑可以從10微米增加到約15至20微米，表面積可能為每立方厘米0.01平方米(對(duì)于較高的體積分?jǐn)?shù)浸漬，這些分支將合并，表面將進(jìn)一步降低)?？梢詫⑦@些表面積與鉛酸電池的負(fù)極內(nèi)的正?；钚晕镔|(zhì)的表面積進(jìn)行比較。含鉛活性質(zhì)量塊分為輸送電流(其在充放電循環(huán)期間不易于電化學(xué)變化)的鉛骨架以及易于改變并且實(shí)際上產(chǎn)生電池的工作電流的更精細(xì)的質(zhì)量塊。更精細(xì)的“高能活性材料”可以具有約0.3微米直徑的分支。骨架可能與上述部分浸漬形成的分支非常相似，具有可忽略的電化學(xué)侵蝕。然而，精細(xì)電化學(xué)活性材料的表面積可能具有(20)/0.3)＝70倍的每單位體積鉛的表面積，因此幾乎全部發(fā)生化學(xué)侵蝕。在大多數(shù)負(fù)極中，精細(xì)材料與粗骨架材料之間的分割約為50/50％。

一般性描述

在通常為鉛酸電池的電池中，一個(gè)或多個(gè)正極和/或一個(gè)或多個(gè)負(fù)極可以根據(jù)本發(fā)明的方法形成有凸耳。優(yōu)選地，集電器材料及其纖維是柔性的，這將有助于在電池循環(huán)期間容納附接到集電器材料的活性材料的體積變化，并且微尺度纖維還可以增強(qiáng)活性材料，這兩者有助于在使用中減少活性材料從電極斷開(“脫落”)。

在優(yōu)選實(shí)施例中，電極纖維可以固有地是導(dǎo)電的，而不需要涂覆有更導(dǎo)電的材料(例如金屬)以增加導(dǎo)電性，并且電極纖維可以是碳纖維，在一些實(shí)施例中碳纖維可以被處理以增加導(dǎo)電性。在其它實(shí)施例中，電極纖維可以是導(dǎo)電性較差的材料，其纖維涂覆有導(dǎo)電的或更具導(dǎo)電性的涂層。在一些實(shí)施例中，集電器材料的纖維可以涂覆有pb或pb基材料。例如，可以用pb涂覆一個(gè)或多個(gè)負(fù)極，并用pb涂覆正極，然后在其上涂覆pbo2。

集電器材料可以是織造材料、針織材料或非織造材料，例如氈或流體水力纏結(jié)材料。材料可以包括在材料的主平面中延伸的細(xì)絲，每個(gè)細(xì)絲由多個(gè)纖維組成，可選地，連接線橫向延伸穿過細(xì)絲以機(jī)械連接細(xì)絲。材料的平均深度可以為至少0.2毫米或至少1毫米。纖維的至少大部分具有小于約20微米或小于約10微米的平均纖維直徑。

在一些實(shí)施例中，纖維材料可以是已經(jīng)在升高的溫度下(例如在1000至4000℃的范圍內(nèi))進(jìn)行熱處理的碳纖維材料。在一些實(shí)施例中，纖維材料可以是已經(jīng)通過電弧放電處理的碳纖維材料。碳纖維材料可以通過使碳纖維材料在反應(yīng)室內(nèi)運(yùn)動(dòng)通過在電極的一側(cè)上包括多個(gè)相鄰電極的電極之間的間隙中的電弧或者通過多個(gè)相鄰的電極而進(jìn)行電弧處理，使得電弧存在于每個(gè)電極和材料之間。

在一些實(shí)施例中，纖維材料可以是碳纖維材料，例如pan纖維，其接下來在250至600℃的溫度下被氧化以提供不導(dǎo)電的opf。這種纖維材料可以用作電極元件。

在一些實(shí)施例中，纖維材料可以是氈或其它非織造平面電極材料，通過在平面中分割較厚的材料而產(chǎn)生非常小的厚度，例如2.5mm或更小的厚度。也就是，材料可以在其平面中切割一次或多次以將較厚的非織造材料分成多個(gè)片材，這些片材具有類似長度和寬度，但是減小了起始片材的厚度。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)例1和2：

支撐在鋼帶上的一層碳?xì)衷诠潭ǖ匿擃^部下方被進(jìn)給，該固定鋼頭部具有一個(gè)或多個(gè)穿過它的豎直孔。如圖3至5所示，熔融的鉛保持在這些孔的上方，并且可以在下方通過時(shí)穿過這些孔而通到氈上。將3l的鉛在圓柱形容器中加熱，使得鉛溫度可以保持在高于鉛熔化溫度1℃以內(nèi)的期望溫度。閥位于鉛槽和孔之間，可以打開和關(guān)閉，以允許短脈沖的鉛通過它們(對(duì)于一個(gè)孔的情況，參見圖4)。該閥的頭部接觸匹配座以封閉流動(dòng)，并且可以通過穿過鉛槽的桿的軸向運(yùn)動(dòng)從設(shè)備的頂部升高和降低。桿沿著其長度由三個(gè)軸承相對(duì)于閥保持居中，并且在其頂部處附接到反向機(jī)構(gòu)，該反向機(jī)構(gòu)允許閥在機(jī)構(gòu)的每次旋轉(zhuǎn)中短暫地打開一次。機(jī)構(gòu)的頻率可以調(diào)節(jié)，打開的持續(xù)時(shí)間也可以調(diào)節(jié)。該機(jī)構(gòu)由具有大約50hz的推挽周期的最大頻率的機(jī)器供電。桿的頂部被壓縮彈簧壓住，但在朝向機(jī)器的運(yùn)動(dòng)的頂部時(shí)在一位置處提升以打開閥，該位置可以通過在其兩端具有沿相反方向螺紋的單個(gè)間隔件來調(diào)節(jié)。

實(shí)施例1：使用直徑為0.5mm的簡單單個(gè)孔口，注射到2.5mm厚的電弧處理氈層中，其中碳的體積分?jǐn)?shù)為4.2％(每單位面積的碳質(zhì)量為180g/m²)。在這種情況下，反向機(jī)構(gòu)是夾具，該夾具以50hz進(jìn)行操作，使得每秒50個(gè)短脈沖的鉛穿過氈。氈以40mm/s的速率前進(jìn)，并在其在下方通過時(shí)通過頭部被壓縮。通過注射形成的鉛復(fù)合物的厚度為1.3mm。圖9a和9b是其中形成有pb凸耳條帶的碳纖維氈的一部分的上側(cè)和下側(cè)的圖像。它們顯示穿過氈的鉛浸漬的路徑，首先(a)從孔口的側(cè)面觀察，第二(b)從下側(cè)觀察。氈被帶在鋼帶上，在鋼帶上鉛被注射到氈中之前鋼帶處于室溫下。因此，帶從下側(cè)冷卻氈。從圖中可以看出，鉛在路徑的整個(gè)可見范圍內(nèi)穿透氈，連續(xù)的脈沖連接在一起。

示例2：該示例示出了多個(gè)注射端口的使用。在頭部中形成3個(gè)孔，每個(gè)孔的直徑為0.5mm，以允許從每個(gè)孔的鉛脈沖流動(dòng)。氈的進(jìn)給速度為40mm/s，脈沖重復(fù)率為50hz。在這些條件下，所有孔的注射也與其緊挨著的注射接合良好，進(jìn)行更寬的注射，在使用的條件下為約20mm寬，厚度為1.3mm。通過減去碳的體積(從已知體積/m²估計(jì))和鉛的體積(從鉛的質(zhì)量和鉛的密度估計(jì))，切出小面積的路徑并測(cè)量尺寸和質(zhì)量，以計(jì)算出空隙率。圖10a和10b是pb凸耳的一部分的下側(cè)和頂側(cè)的圖像。該樣品的空隙率為12±2％。在圖10b中，頂部表面圖像的淺輪廓間隔開略小于1mm，表明連續(xù)注射已經(jīng)聚到一起(預(yù)期間距40/50＝0.8mm)。樣品的頂部沒有碳。浸漬后，薄的碳層保留在軌道的頂部上，但容易例如通過輕輕刮擦而除去。在浸漬期間，氈內(nèi)的任何松散的小塊碳看起來都上升到頂部，這是在處理樣品之前觀察到的。圖11是形成在碳纖維氈上的pb凸耳條帶的一部分的下側(cè)的sem圖像，從中可以看出，pb已經(jīng)完全浸漬通過碳纖維材料。

脈沖流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力最初被認(rèn)為是部分地由孔口處的鉛的靜態(tài)頭部提供。在上述實(shí)例中，在鉛槽上方?jīng)]有施加壓力，因此這種靜態(tài)頭部是高度為300mm的鉛的靜態(tài)頭部，即33kpa。然而，當(dāng)閥在沒有脈動(dòng)閥的情況下打開時(shí)，鉛進(jìn)入毛氈的滲透可以忽略不計(jì)。當(dāng)閥的打開時(shí)段增加到超過全周期的約10％時(shí)，也沒有觀察到額外的進(jìn)入氈的流動(dòng)。因此，在這些靜態(tài)頭部條件下，顯著的有效浸漬壓力似乎來自閥頭的泵送作用。然后對(duì)閥運(yùn)動(dòng)期間的流體流動(dòng)進(jìn)行分析。從這個(gè)分析，頭部朝向關(guān)閉的向下運(yùn)動(dòng)增加了孔口上方的壓力?？紤]到通過閥的閉合環(huán)形密封部分(參見圖6)的反向泄漏，并且使用注射孔口和(一個(gè)動(dòng)能頭的)環(huán)形密封區(qū)域兩端的湍流壓降，可以估計(jì)關(guān)閉部分期間的壓力輪廓和注射速度。該模型顯示，在每個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)產(chǎn)生數(shù)十巴的壓力。這種產(chǎn)生的壓力在注射孔口和快速充填氈上都下降。預(yù)期在大氣中的總壓降的很大一部分是穿過部分填充的氈，因此該高壓在充分填充氈并實(shí)現(xiàn)小的剩余空隙率方面是有效的。

圖12a是通過形成在碳纖維氈上的pb凸耳條帶(單獨(dú))切割的sem圖像，圖12b是比圖12a具有更高放大倍數(shù)的sem圖像，從中可以看出，pb已經(jīng)浸漬在單獨(dú)的纖維周圍和之間。這顯示出低的空隙率。

前述內(nèi)容描述了本發(fā)明，包括其優(yōu)選形式，并且對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的改變和修改旨在并入如所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。