CN101563741A - 混合储能装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种混合储能装置，其包含至少一个电池，所述电池包含至少一个正极、至少一个负极、设置在所述至少一个正极和所述至少一个负极之间的隔膜、以及电解质。所述至少一个正极包括含铅活性材料、以及从所述至少一个正极一侧伸出的接头。该至少一个负极包含活化碳材料、从至少一个负极一侧伸出的接头、以及用于包封所述接头的铅凸头。第一铸焊铅汇流排位于从所述至少一个正极中伸出的接头上。第二铸焊铅汇流排位于至少一个负极的铅凸头上。

Description

混合储能装置及其制造方法
本PCT申请要求于2006年10月23日申请的美国临时申请系列No.60/853,439的优先权。
技术领域
本发明的目的在于提供一种混合储能装置。该混合储能装置包括至少一个电池，该电池包含至少一个铅基正极、至少一个碳基负极、在相邻的正极和负极之间的隔膜、以及电解质。
背景技术
混合储能装置，也已知为不对称的超级电容器或混合蓄电池/超级电容器，其合并蓄电池电极和超级电容器电极以产生具有独特特性的装置，所述特性包括循环寿命、功率密度、能量容量、快速再充电能力、以及大范围的温度可操作性。混合铅-碳储能装置使用铅-酸电池正极和超级电容器负极。参见，例如，美国专利Nos.6,466,429；6,628,504；6,706,079；7,006,346以及7,110,242。
传统的认识是，任何新的电池或超级电容器技术集合了构成成分并且使用该技术的独特工艺。此外，传统的认识是，铅-碳储能装置被要求通过使用在装置内部相对高压缩的一个或多个电池而组装起来。高度压缩部分地是由于存在于活化的碳活性材料和负极集电器之间的很大的接触电阻。传统的认识还包括，通常用于制造普通铅-酸电池并且一般在汽车工业、启动动力、固定物、以及其它能量储存应用中使用的装置不能在生产混合储能装置中使用。
本发明的目的在于提供一种混合储能装置，其具有出色的循环寿命，并且能够通过使用可买到的普通铅-酸电池制造装置来制造。本发明人已经证明，通过使用具有改进之处的普通铅酸电池制造装置可以制造出单电池和多电池的混合储能装置，该改进归因于负极的设计，该设计使装置内的电池其上不再需要施加大量的叠加压力。
因此，与传统的用于混合储能装置的认识相反，在根据本发明的混合储能装置的组装中，不需要高度压缩。不必要提供额外的装置来压缩单个电池，并且用市场上可购买的壳体和盖子也能够组装该混合储能装置。否则，需要新的定制的硬件以及组装装置，导致显著的成本增加和/或显著的工艺变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有出色的循环寿命的混合储能装置。
本发明的另一目的在于提供混合储能装置，其能够通过使用普通的铅-酸电池制造装置来制造。
本发明的优点在于，混合储能装置中的至少一个电池的压缩减少了例如由于振动造成的电池损伤的问题。
本发明的进一步优点在于，在混合储能装置的组装中需要小于大约5psi的加压。
上述目的及优点通过含有至少一个电池的混合储能装置得以实现，该电池包括至少一个正极、至少一个负极、设置在所述至少一个正极和所述至少一个负极之间的隔膜、以及电解质。该至少一个正极包括含铅活性材料、以及由正极一侧伸出的接头。该至少一个负极包含活化碳材料，并且具有由负极一侧伸出的接头，该接头带有用于包封接头的铅凸头。第一铸焊铅汇流排被铸焊在至少一个正极的接头上。第二铸焊铅汇流排被铸焊在至少一个负极的铅凸头上。
在这里使用的术语“基本上”、“通常”、“相对”、“大约”、以及“约”是相关的修饰语，意欲表明修改后离开本质的允许的变化。其并非是意欲限于绝对值或本质性状，其修改但是相当接近或者近似物理的或功能的特征。
至于术语“一个实施方式”、“实施方式”、或者“在一些实施方式中”，意思是指涉及的特征被包括在本发明的至少一个实施方式中。此外，单独谈及术语“一个实施方式、“实施方式”、或者“在一些实施方式中”，并非必然是指相同的实施方式；然而，两者不相互排斥，除非有此表述，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本发明能够包含在本文中描述的实施方式的组合以及/或者整合的任一变化。
在下面的描述中，参照显示用于说明可以实践本发明的具体实施方式的附图。下述说明性的实施方式被充分描述，以便本领域的技术人员能够实施本发明。应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，基于目前已知的结构性等价物以及/或者功能性等价物，可以作出许多结构改变，可以使用其它实施方式。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式的具有铸焊汇流排的负极的部分示意图；
图2是图1所示负极的剖面图；
图3是根据本发明的实施方式的具有铸焊汇流排的正极的部分示意图；
图4是图3所示正极的剖面图；
图5是根据本发明的电池的示意图。
具体实施方式
图1-5显示了一种混合储能装置及其构成组件。根据本发明，该混合储能装置包括至少一个电池，该电池包含至少一个铅基正极、至少一个碳基负极、在相邻的正极和负极之间的隔膜、以及电解质。铅基正极和碳基负极各自具有从电极一侧伸出的接头。铸焊汇流排连接各个给定极性的接头，导致在至少一个电池内部具有共同极性的所有接头的单连接。例如，一个铸焊汇流排可以连接在给定电池内部的所有正极，并且一个铸焊汇流排可以连接在给定电池内部的所有负极。
A.负极
图1和图2显示了至少一个负极15，其包含：集电器22；粘附于集电器22的至少一个面的耐腐蚀涂层23；以及粘附于耐腐蚀涂层23的活性材料24。该至少一个负极15还包含接头30，接头30从电极一侧，例如，至少一个负极15的顶端边缘上方伸出，(例如，伸出集电器22上方)。
集电器22含有导电材料。例如，集电器22可以包含至少一种金属材料，例如铍、青铜、含铅青铜、铜、铜合金、银、金、钛、铝、铝合金、铁、钢、镁、不锈钢、镍、其混合物、或它们的合金。集电器可以包含导电率大于1×105西门子/m的任何导电材料。在优选的实施方式中，集电器包含铜或铜合金。
耐腐蚀涂层23优选包含经浸渍的石墨材料。石墨被某一物质浸渍，从而使膨胀的石墨薄片或箔片耐酸。该物质可以是非聚合性的物质，例如石蜡或糖醛。优选地，石墨用石蜡及松香浸渍。在一些实施方式中，以混合物的重量为基准，石墨可以用大约90～大约99wt％的石蜡与大约1～10wt％的松香、优选大约2～大约5wt％的松香的混合物浸渍。松香有助于石墨中的小孔被完全密封，并且因此不会被酸渗透。在一些实施方式中，浸渍物质显示出热塑性特性，并且可以具有大约25℃至大约400℃范围内的熔解温度。石墨可以呈由高密度或低密度膨胀的石墨粒子做成的薄片或箔片的形态。优选地，耐腐蚀涂层包含低密度膨胀的石墨。
在其它实施方式中，耐腐蚀涂层可以包含含有导电材料例如炭黑的聚合物涂层。可选择地，耐腐蚀涂层可以包含导电性的、但耐腐蚀的物质，例如钛的亚氧化物(例如，TixO2x-1，其中x是整数)或者导电性金刚石材料。在一些实施方式中，导电性金刚石材料可以是通过热丝化学气相淀积(CVD)方法、微波等离子体CVD方法、等离子体电弧喷射方法、或者等离子体气相沉积(PVD)方法而沉积出的薄层或薄膜。例如，导电性金刚石中可以掺入硼。
负极的活性材料24包括活化碳。活化碳涉及任何主要为碳基的材料，该材料可显示出大于大约100m2/g，例如，大约100m2/g至大约2500m2/g的表面积，该表面积是通过使用普通的单点式BET技术(例如，使用Micromeritics FlowSorb III 2305/2310设备)测量的。在特定的实施方式中，活性材料可以包含活化碳、铅、以及导电性炭黑。例如，活性材料可以包含5-95wt％的活化碳；95-5wt％的铅；以及5-20wt％导电性炭黑。
活性材料24可以呈薄片形式粘附于耐腐蚀导电性涂料23、并且与其电接触。为了使活化碳粘附于耐腐蚀导电涂层、并且与其电接触，可以将活化碳粒子与合适的粘合剂物质例如PTFE或超高分子量聚乙烯(例如具有以百万计的分子量，通常在大约2百万和大约6百万之间)混合。在一些实施方式中，以活性物质及粘合剂的重量为基准，粘合剂的含量可以是大约3至大约25wt％，优选大约5至大约15wt％(例如，10wt％)。粘合剂材料优选不显示出热塑性特性或者显示出极小的热塑性特性。
活化碳以及PTFE或者超高分子量的聚乙烯粘合剂将在活性材料和耐腐蚀导电涂层之间建立良好导电性所需的压力降低到小于大约5psi、优选小于大约3psi。相反，使用的聚乙烯或聚丙烯粘合剂或者用丙烯酸或丁二烯粘合剂涂渍浆料的电极要求压力大于5psi，以在活性材料和耐腐蚀导电涂层之间获得良好的接触。
接头部分30从负极例如集电器22一侧伸出。在一些实施方式中，接头部分30是集电器的延伸。
包含铅或铅合金的凸头32被铸焊到接头部分30的至少一部分、优选全部上并且对其包封。可以在耐酸涂层23和活性材料24粘附于集电器22之前涂覆凸头32，借此使这些材料免于暴露在熔铅所需的高温下。在耐腐蚀导电涂层23和活性材料24之前涂覆凸头32，还允许当粘附耐腐蚀导电涂层和活性材料时将热熔胶液41即刻涂敷至凸头32上。
在一些实施方式中，凸头32的厚度可以为大约0.5mm至大约10mm。选择凸头32的厚度以保证接头部分30和耐腐蚀涂层23的密封不受在铸焊汇流排(COS)操作期间发生的热加工影响。
凸头32保证集电器22不会被电解质腐蚀。在特定的实施方式中，凸头中的铅将与硫酸电解质反应形成PbSO4，形成抗腐蚀的屏障。基于加速试验法，凸头为集电器提供了大约5年至大约10年抗腐蚀的保护。相反，使用塑料套管用于保护接头部分和集电器容易失败，因为酸性电解质会迅速在塑料和接头部分之间渗透。
根据本发明，铸焊汇流排(COS)38被铸焊到凸头32上。优选地，铸焊汇流排38包含铅或铅合金。通过使用常规的最初利用熔融铅的铸焊机器，可以将铸焊汇流排铸焊到凸头32上。铸焊汇流排38优选是单块的一体式部件。
B.正极
图3及图4显示了至少一个正极17。正极包括含有铅的集电器20。在一些实施方式中，集电器可以呈平板或栅板的形态。铅基活性材料21，例如二氧化铅，被涂敷在集电器20的至少一个面上。在一些实施方式中，二氧化铅可以是涂敷在铅质栅板的糊剂。正极还包含接头部分28，其从至少一个正极17一侧伸出，例如，延伸出集电器20上方。在一些实施方式中，接头部分28是集电器的延伸。在特定的实施方式中，含有铅或铅合金的凸头可以被铸焊到接头部分的至少一部分或全部上并且对其包封。
根据本发明，铸焊汇流排(COS)34被铸焊到用于至少一个正极的接头28上。优选地，铸焊汇流排34包含铅或铅合金。通过使用常规的最初利用熔融铅的铸焊机器，可以将铸焊汇流排铸焊到接头28上。铸焊汇流排34优选是单块的一体式部件。
C.混合储能装置
图5显示了根据本发明的实施方式的单个电池10。电池可以包括任何数量的正极和负极，例如，(1)n个负极以及n+1个正极；或者(2)n+1个负极和n个正极。在图5中，电池10包括顺序交替的4个正极和3个负极。每个负极都包含集电器22，集电器22上具有粘附于其各个面的耐腐蚀涂层(未显示)、以及粘附于其各个面上的耐腐蚀涂层上并且与耐腐蚀涂层电接触的活化碳材料24。
在各个相邻的含有活性材料24的正极和负极之间，设置有隔膜26。隔膜26包含适于与酸性电解质一起使用的材料，并且可以包含纺织材料或毡制材料。隔膜可以包含吸附性的玻璃罩(AGM)或聚乙烯。
各个正极包含伸出电极顶部边缘上方的接头28。各个负极包含伸出电极顶部边缘上方的接头30。根据本发明，正极接头28通过铸焊汇流排34而被确保一个接一个地电学连接，铸焊汇流排34可以具有连接器构造36。同样，负极接头30通过铸焊汇流排38而被确保一个接一个地电学连接，铸焊汇流排38可以具有连接器构造40。
根据本发明的混合储能装置可以具有外壳，例如用于阀调节的铅-酸(VRLA)蓄电池的壳体。根据本发明，外壳或壳体中的各个电池分隔间的横向尺寸是指空隙宽度。为了向各个电池施加轻微的压缩，并且借此确保在隔膜和各个正极和负极之间适当的物理的和电学的接触，图5中显示的组装电池10的总厚度T大于壳体中的电池分隔间的空隙宽度。总厚度T和空隙宽度之间的差值通常为大约0.01T至大约0.2T。这一差别典型地导致大约0.2至大约5psi、优选大约1至大约3psi范围的压缩。压缩是沿着穿过各个电池厚度的方向。各个电池的压缩减少了例如由于振动造成的电池损伤的问题。
一旦各个电池10被放置入其在壳体中的各自分隔间，然后以任何常规的方式密封用于该壳体的盖子，并且将预定数量的酸性电解质添加至各个分隔间。在优选的实施方式中，酸性电解质是硫酸。
负极和正极的铸焊汇流排34、38提供了连接，通过使用常规的铅-酸电池组装设备例如阀门调节的铅-酸(VRLA)设备，能够将铸焊汇流排制成类似于同一电池内部的电极、或者相邻电池中的电极。
通过在一个或多个电池的负极和正极的铸焊汇流排34、38之间制作适当的连接，可以提供用于混合储能装置的正极和负极连接末端。根据本发明，可以形成串联连接，其中混合储能装置的电压是各个电池的累积电压。可选择地，优选可以通过将在混合储能装置中的一个或多个电池的所有正极的铸焊汇流排34与所有负极的铸焊汇流排38电连接在一起来提供并联连接的电池。
通过使用对常规的用于组装VRLA汽车蓄电池的设备种类进行改进的铅酸电池组装设备，可以进行例如图5所示的电池的组装。该设备要求对负极组件进行相对不大的也不昂贵的改进。主要地，必须采用叠加机器，以便能够处理负极，从而满足本发明。
本发明的目的还在于提供一种制造混合铅-碳储能装置的方法。该方法包括：叠加用于至少一个电池的至少一个正极、至少一个负极、以及它们之间的隔膜。该至少一个电池被放置在比如用于传统铅酸电池制造中的常规的铸焊机器(例如，MAC Engineering公司制造的
Figure A20078004739300101
COS机)中。熔化的铅或铅合金的汇流排被铸焊到至少一个负极的接头/凸头上、以及至少一个正极的接头上，随后进行冷却以在各个接头之间形成固态的一体式铅连接。将铸焊的叠加式电池放入壳体中的各个电池分隔间。按照电池的串联或并联连接要求，在相邻电池的铸焊汇流排之间完成电池-电池连接。
VI.工业适用性
提供了一种混合储能装置。该混合储能装置特别适合用于汽车工业、启动动力、固定的能量储存、以及其它的能量储存应用。
虽然在本文中描述了本发明的具体实施方式，然而本领域的技术人员应当理解，在上述描述及示意性附图的教导下，可以对本发明的实施方式进行许多改进。
因此应当理解，本发明并不限于在本文中公开的具体实施方式，并且本发明的许多改进及其它实施方式皆应包括在本发明的范围内。此外，尽管在本文中使用了具体术语，但是它们仅仅用于普通的叙述，并不限于描述本发明。

Claims (23)

1.一种混合储能装置，其特征在于，包含：
至少一个电池，所述电池包含至少一个正极、至少一个负极、设置在所述至少一个正极和所述至少一个负极之间的隔膜、以及电解质；
所述至少一个正极包括：含铅的活性材料、以及从所述至少一个正极的一侧伸出的接头。
所述至少一个负极包括：活化碳材料、从所述至少一个负极的一侧伸出的接头、以及包封所述接头的铅凸头；
第一铸焊铅汇流排，位于从所述至少一个正极伸出的所述接头上；
第二铸焊铅汇流排，位于所述至少一个负极的所述铅凸头上。
2.如权利要求1所述的混合储能装置，其特征在于，所述第一铸焊汇流排和所述第二铸焊汇流排含有铅或铅合金。
3.如权利要求1或2所述的混合储能装置，其特征在于，所述第一铸焊汇流排和所述第二铸焊汇流排各自是单块的一体式部件。
4.如权利要求1-3中任一项所述的混合储能装置，其特征在于，所述至少一个负极进一步包含：
集电器；
粘附于所述集电器的至少一个面上的耐腐蚀涂层；以及
粘附于所述耐腐蚀涂层、并且与所述耐腐蚀涂层电接触的活化碳材料。
5.如权利要求1-4中任一项所述的混合储能装置，其特征在于，所述电解质包括硫酸。
6.如权利要求4所述的混合储能装置，其特征在于，所述耐腐蚀导电涂层包括膨胀的石墨薄片或箔片。
7.如权利要求1或2所述的混合储能装置，其特征在于，所述至少一个负极包含活化碳和铅。
8.如权利要求4所述的混合储能装置，其特征在于，所述集电器包含铜或者铜合金。
9.如权利要求4所述的混合储能装置，其特征在于，所述集电器包含导电率大于1.0×105西门子/m的材料。
10.如权利要求1-4中任一项所述的混合储能装置，其特征在于，所述至少一个正极包含二氧化铅。
11.如权利要求1-4中任一项所述的混合储能装置，其特征在于，所述至少一个正极进一步包含含有铅的集电器。
12.如权利要求1-3中任一项所述的混合储能装置，其特征在于，所述至少一个电池包含多个正极和多个负极。
13.如权利要求1-3中任一项所述的混合储能装置，其特征在于，所述至少一个电池包含呈交替方式设置的n+1个正极和n个负极，在各个正极和负极之间设置有隔膜。
14.如权利要求1-3中任一项所述的混合储能装置，其特征在于，所述至少一个电池包含呈交替方式设置的n个正极和n+1个负极，在各个正极和负极之间设置有隔膜。
15.如权利要求1所述的混合储能装置，其特征在于，所述装置包含多个电池。
16.如权利要求1所述的混合储能装置，其特征在于，所述装置进一步包含用于所述至少一个电池的壳体。
17.如权利要求16所述的混合储能装置，其特征在于，所述至少一个电池的总厚度大于所述壳体的空隙宽度。
18.如权利要求16所述的混合储能装置，其特征在于，所述至少一个电池的总厚度比所述壳体的空隙宽度大0.01T至0.2T左右。
19.如权利要求1所述的混合储能装置，其特征在于，沿着穿过所述至少一个电池的厚度方向的压缩压力是约0.2psi至约5psi。
20.一种制造如权利要求1所述的混合储能装置的方法，其特征在于，包括：
叠加至少一个负极、至少一个正极、以及它们之间的隔膜，从而形成至少一个电池；
将第一铸焊汇流排铸焊到所述至少一个正极的接头上；
将第二铸焊汇流排铸焊到所述至少一个负极的铅凸头上；以及
将所述至少一个电池放入壳体中。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少一个电池的总厚度大于所述壳体的空隙宽度，借此当所述至少一个电池被放置入壳体时会沿着穿过所述至少一个电池的厚度方向产生大约0.2至5psi的压缩压力。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：将多个电池放置入所述壳体中；以及
通过连接所述至少一个正极的各个铸焊汇流排和所述至少一个负极的各个铸焊汇流排，在所述电池之间形成串联连接。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：
将多个电池放置入所述壳体中；以及
通过将所述至少一个正极的铸焊汇流排与所述至少一个负极的铸焊汇流排相连，在所述电池之间形成并联连接。
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PB01 Publication
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C14 Grant of patent or utility model
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20091021

Assignee: LCB INTERNATIONAL Inc.

Assignor: Axion Power International, Inc.

Contract record no.: 2016990000476

Denomination of invention: Hybrid energy storage device and method of making same

Granted publication date: 20111130

License type: Exclusive License

Record date: 20161116

LICC Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model
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Granted publication date: 20111130

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