Аккумуляторная батарея, содержащая токоприемники из пеноуглерода

Аккумуляторная батарея, содержащая токоприемники из пеноуглерода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Данное изобретение, в общем, относится к токоприемникам для аккумуляторной батареи и, более конкретно, к токоприемникам из пеноуглерода для батареи свинцовых аккумуляторов.

Предпосылки создания изобретения

Известно, что батареи свинцовых аккумуляторов включают, по крайней мере, один положительный токоприемник, по крайней мере, один отрицательный токоприемник и электролитический раствор, например серную кислоту (H₂SO₄) и дистиллированную воду. Обычно как положительный, так и отрицательный токоприемники в батарее свинцовых аккумуляторов делаются из свинца. Роль этих свинцовых токоприемников состоит в передаче электрического тока на и от клемм батареи во время процессов разрядки и зарядки. Хранение и высвобождение электрической энергии в батареях свинцовых аккумуляторов осуществляется за счет химических реакций, которые происходят в пасте, нанесенной на токоприемники. Положительные и отрицательные токоприемники, как только их покрывают пастой, называются соответственно положительной и отрицательной пластинами. Заметным ограничением срока службы батарей свинцовых аккумуляторов является коррозия свинцового токоприемника положительной пластины.

Скорость коррозии свинцового токоприемника является главным фактором, определяющим срок службы батареи свинцовых аккумуляторов. Как только электролит с серной кислотой добавляется в батарею, батарея заряжается, токоприемник каждой положительной пластины постоянно подвергается коррозии благодаря воздействию серной кислоты и анодных потенциалов положительной пластины. Одним из наиболее разрушительных эффектов данной коррозии положительной пластины токоприемника является расширение объема. В частности, свинцовый токоприемник корродирует, из исходного металла свинца токоприемника образуется двуокись свинца. Более того, продукт коррозии двуокись свинца имеет больший объем, чем материал исходного свинца, потребляемый для создания двуокиси свинца. Коррозия исходного свинцового материала и получаемое в результате увеличение объема продукта коррозии двуокиси свинца называется расширением объема.

Расширение объема вызывает механические нагрузки на токоприемник, которые деформируют и растягивают токоприемник. При общем увеличении объема токоприемника от приблизительно 4% до 7% токоприемник может растрескаться. В результате может понизиться емкость батареи и, постепенно, батарея приблизится к концу своего срока службы. Дополнительно на продвинутых стадиях коррозии может произойти внутреннее замыкание внутри токоприемника и разрыв корпуса ячейки. Оба данных эффекта коррозии могут привести к выходу из строя одной или более ячеек внутри батареи.

Одним из способов продления срока службы батареи свинцовых аккумуляторов является увеличение сопротивляемости коррозии токоприемника положительной пластины. Предлагалось несколько способов для ингибирования процесса коррозии в батареях свинцовых аккумуляторов. Так как углерод не окисляется при температурах, при которых обычно работают батареи свинцовых аккумуляторов, некоторые из этих способов включали использование углерода в различных формах для замедления или предотвращения разрушительного процесса коррозии в батареях свинцовых аккумуляторов. Например, в патенте США №5512390 (далее именуемый патент 390) раскрывается батарея свинцовых аккумуляторов, которая включает токоприемники, выполненные из графитовых пластин вместо свинца. Графитовые пластины имеют достаточную проводимость для функционирования в качестве токоприемников, и они обладают большей сопротивляемостью коррозии, чем свинец. Замена свинцовых токоприемников на графитовые пластины, следовательно, может продлить срок службы батареи свинцовых аккумуляторов.

В то время как батарея по патенту 390 может потенциально продлить срок службы в результате снижения коррозии на положительной пластине, графитовые пластины по патенту 390 являются проблематичными. Например, графитовые пластины по патенту 390 представляют собой плотные, плоские листы материала, каждый из которых имеет относительно небольшую поверхность. В отличие от пластин свинцового электрода обычной батареи свинцовых аккумуляторов, которые обычно структурированы в решетчатую структуру для увеличения имеющейся поверхности пластин, графитовые пластины по патенту 390 являются гладкими листами без структурирования. В батареях свинцовых аккумуляторов увеличение поверхности токоприемника может повысить удельную энергию батареи и, следовательно, может привести к улучшению работы батареи. Увеличение зоны поверхности на токоприемниках может также привести к снижению времени, необходимого для зарядки и разрядки батареи. Относительно небольшая зона поверхности графитовых пластин по патенту 390 приводит к плохо работающим батареям, которые имеют медленные скорости зарядки.

В дополнении к этому графитовые пластины по патенту 390 не имеют плотности свинцовых токоприемников. Плотные графитовые пластины по патенту 390 являются хрупкими и могут растрескаться под воздействием физического удара или вибрации. Подобные физические удары и вибрации обычно происходят, например, при применении в транспорте. Любое растрескивание графитовых пластин привело бы к некоторым проблемам, вызванным расширением объема обычных свинцовых токоприемников. Следовательно, несмотря на то, что предлагается увеличенная сопротивляемость коррозии по сравнению с обычными свинцовыми токоприемниками, хрупкий характер графитовых пластин по патенту 390 мог бы привести со сроком службы батарей более коротким, чем возможные при использовании обычных свинцовых токоприемников.

Настоящее изобретение направлено на преодоление одной или более проблем или недостатков, существующих в предшествующем уровне техники.

Краткое содержание изобретения

Один аспект настоящего изобретения включает электродную пластину для батареи. Электродная пластина включает токоприемник из пеноуглерода, который имеет сеть пор. Химически активная паста наносится на токоприемник из пеноуглерода таким образом, что химически активная паста проникает в сеть пор.

Второй аспект настоящего изобретения включает способ изготовления электродной пластины для батареи свинцовых аккумуляторов. Это способ включает формирование токоприемника из углеродной пены. Токоприемник из пеноуглерода включает удлиненный выступ и сеть пор. Затем на удлиненном выступе токоприемника формируется электрическое соединение. Способ также включает нанесение химически активной пасты на токоприемник таким образом, что химически активная паста проникает в сеть пор во вспененном углероде.

Третий аспект настоящего изобретения включает батарею свинцовых аккумуляторов. Эта батарея включает корпус и положительные и отрицательные клеммы, являющиеся внешними по отношению к корпусу. Внутри корпуса располагается, по крайней мере, одна ячейка, которая включает, по крайней мере, одну положительную пластину и, по крайней мере, одну отрицательную пластину, подсоединенные соответственно к положительной клемме и отрицательной клемме. Электролитический раствор заполняет объем между положительной и отрицательной пластинами. По крайней мере, одна положительная пластина включает токоприемник из пеноуглерода, включающий сеть пор, и химически активную пасту, нанесенную на токоприемник из пеноуглерода, так что химически активная паста проникает внутрь сети пор.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые включены в данную заявку и составляют ее неотъемлемую часть, иллюстрируют показательные примеры осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения. На чертежах:

Фиг.1 является диаграммным представлением батареи в разрезе в соответствии с показательным примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2А и 2В представляют собой фотографии токоприемника в соответствии с показательным примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 является фотографией пористой структуры токоприемника из пеноуглерода в соответствии с показательным примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 является диаграммным приближенным представлением пористой структуры токоприемника из пеноуглерода в соответствии с показательным примером осуществления настоящего изобретения.

Детальное описание

В последующем описании делается ссылка на сопровождающие чертежи, которые формируют его часть, и в которых в виде иллюстрации представлены показательные специфические примеры осуществления изобретения, в которых может практически использоваться данное изобретение. Эти примеры осуществления изобретения достаточно детально описаны, чтобы специалисты в данной области могли использовать изобретение, и понимается, что могут использоваться другие примеры осуществления изобретения и могут делаться изменения, не отклоняясь от объема настоящего изобретения. Поэтому следующее описание не должно пониматься в ограничительном смысле. Где это возможно, одинаковые номера используются в чертежах для обозначения одинаковых или подобных деталей.

Фиг.1 иллюстрирует батарею 10 в соответствии с показательным примером осуществления настоящего изобретения. Батарея 10 включает корпус 11 и клеммы 12, которые являются внешними по отношению к корпусу 11. По крайней мере, одна ячейка 13 расположена внутри корпуса 11. В то время как необходима только одна ячейка 13, можно последовательно подсоединить множество ячеек для обеспечения желаемого общего потенциала батареи 10.

Каждая ячейка 13 может состоять из чередующихся положительных и отрицательных пластин, погруженных в электролитический раствор, включающий, например, серную кислоту и дистиллированную воду. Как положительная, так и отрицательная пластины включают токоприемник, набитый пастообразным веществом, включающим, например, окись свинца. На Фиг.2А показан токоприемник 20 в соответствии с показательным примером осуществления данного изобретения. Токоприемник 20 включает тонкое прямоугольное тело и удлиненный выступ 21, используемый для образования электрического соединения с токоприемником 20.

Токоприемник, показанный на Фиг.2А, может использоваться для формирования либо положительной, либо отрицательной пластины. Как было упомянуто ранее, химические реакции в пасте, нанесенной на токоприемники батареи, позволяют накапливаться и высвобождаться энергии. Состав данной пасты, а не материал, выбранный для токоприемника, определяет, функционирует ли данный токоприемник как положительная либо отрицательная пластина.

В то время как тип пластины, положительная или отрицательная, не зависит от материала, выбранного для токоприемника 20, материал токоприемника и его конфигурацию влияют на характеристики и работу батареи 10. Например, во время либо процессов зарядки или разрядки, каждый токоприемник 20 передает получаемый в результате ток на и от клемм 12 батареи. Для того чтобы эффективно передавать ток на и от клемм 12, токоприемник 20 должен быть сформирован из проводящего материала. Дополнительно подверженность материала токоприемника коррозии повлияет не только на работу батареи 10, но также повлияет на срок службы батареи 10. В дополнении к материалу, выбранному для токоприемника 20, для работы батареи важное значение имеет также конфигурация токоприемника 20. Например, количество зоны поверхности, имеющейся на токоприемнике 20, влияет как на удельную энергию, так и на скорость зарядки/разрядки батареи 10.

В показательном примере осуществления настоящего изобретения токоприемник 20, показанный на Фиг.2А, формируется из пористого пенистого углеродного материала. Так как пена является углеродом, она обладает сопротивляемостью коррозии даже под воздействием серной кислоты и анодного потенциала положительной пластины. Углеродная пена включает сеть пор, которая обеспечивает большое количество поверхностной зоны для каждого токоприемника 20. Токоприемник, состоящий из углеродной пены, может иметь более чем в 2000 раз большую площадь поверхности по сравнению с поверхностью, обеспечиваемой обычными свинцовыми токоприемниками. На Фиг.2В представлен более близкий вид на удлиненный выступ 21, образованный на токоприемнике 20. Удлиненный выступ 21 может быть покрыт проводящим материалом, и использоваться для образования электрического соединения с токоприемником 20. Проводящий материал, используемый для покрытия удлиненного выступа 21, может включать металл, который является более проводящим, чем токоприемник из пеноуглерода. Покрытие удлиненного выступа 21 проводящим материалом обеспечивает структуральную опору для удлиненного выступа 21 и создает приемлемое электрическое соединение, способное оперировать с более высокими токами, присутствующими в батарее свинцовых аккумуляторов.

На Фиг.3 представлен вид токоприемника 20, включающего сеть пор, с приблизительно 10-кратным увеличением. На Фиг.4 представлено еще более детальное представление (приблизительно 100-кратное увеличение) сети пор. Пеноуглерод показательного примера осуществления изобретения включает от около 4 до 50 пор на сантиметр, а общее значение пористости пеноуглерода может составлять, по крайней мере, 60%. Другими словами, по крайней мере, 60% объема структуры пеноуглерода вмещается внутри пор 41. Более того, пеноуглерод может иметь значение открытой пористости, составляющее, по крайней мере, 90%. Следовательно, по крайней мере, 90% пор 41 открыты к смежным порам таким образом, что сеть пор 41 формирует практические открытую сеть. Данная открытая сеть пор 41 позволяет пасте, нанесенной на каждом токоприемнике 20, проникать внутрь структуры пеноуглерода. В дополнении к сети пор 41 пеноуглерод включает сетку структуральных элементов 41, которые обеспечивают опору для пеноуглерода. При объединении сеть пор 41 и структуральных элементов 42 пеноуглерода образует плотность около менее 0,6 г/см³ для материала пеноуглерода.

В связи с высокой проводимостью пеноуглерода по настоящему изобретению, токоприемники 20 эффективно передают ток на и от клемм 12 батареи. В некоторых формах пеноуглерод может предлагать значения сопротивляемости листа около менее 1 Ом·см. В еще других формах пеноуглерод может иметь значения сопротивляемости листа менее 0,75 Ом·см.

В дополнении к пеноуглероду графитовая пена может также использоваться для формирования токоприемника 20. Один подобный пенографит, выпускаемый под товарным наименованием PocoFoam™, выпускается компанией Росо Graphite, Inc. Плотность и структура пор пенографита может быть подобна пеноуглероду. Основным отличием между пенографитом и пеноуглеродом является ориентация атомов углерода, которые составляют структуральный элемент 42. Например, в пеноуглероде углерод может быть в основном аморфным. Однако в пенографите большая часть углерода упорядочена в графитовую, слоистую структуру. Благодаря упорядоченному характеру графитовой структуры, вспененный графит предлагает большую проводимость, чем пеноуглерод. Пенографит PocoFoam™ демонстрирует значения электрической сопротивляемости между около 100 мкОм·см и около 400 мкОм·см.

В показательном примере осуществления настоящего изобретения токоприемник 20 может быть изготовлен либо из пеноуглерода или из пенографита. Однако, так как коррозия влияет в основном на токоприемник 20 положительной пластины, токоприемник отрицательной пластины может быть сформирован из материала, отличного от пеноуглерода или пенографита. Например, токоприемник отрицательной пластины может быть сделан из свинца или другого приемлемого проводящего материала.

Процесс изготовления электродной пластины для батареи свинцовых аккумуляторов в соответствии с настоящим изобретением начинается с формирования токоприемника 20. Для формирования токоприемника 20 блок пеноуглерода может быть обработан в тонкие листы. В то время как для образования тонких листов пеноуглерода может использоваться любая форма механической обработки, например резка ленточной пилой, вырезка электродом проволокой (EDM) обеспечивает способ, который лучше сохраняет открытую ячеистую структуру пеноуглерода. При вырезке электродом проволокой проводящий материал вырезается тонкой проволокой, окруженной деионизированной водой. Нет физического контакта между проволокой и обрабатываемой деталью. Проволока быстро заряжается до заранее определенного напряжения, что вызывает искровое соединение между проволокой и обрабатываемой деталью. В результате небольшая часть обрабатываемой детали расплавляется. Деионизированная вода затем охлаждает и промывает небольшие частицы расплавленной обрабатываемой детали. Так как при вырезке электродом проволокой не образуется режущих усилий, пеноуглерод по настоящему изобретению может быть обработан без нарушения сети пор 41. Путем сохранения пор 41 на поверхности токоприемника химически активная паста может наиболее легко проникнуть в токоприемник 20.

Как показано на Фиг.2А, токоприемник 20 включает удлиненный выступ 21, который используется для образования электрического соединения с токоприемником 20. Электрическое соединение токоприемника 20 может потребоваться для прохода токов до около 100 А или даже больше. Для того чтобы образовать соответствующее электрическое соединение, способное выдержать подобные токи, пеноуглерод, который образует удлиненный выступ 21, может быть предварительно обработан способом, который вызывает увлажнение пеноуглерода проводящим материалом, подобным металлу. Подобный способ может, например, включать методики нанесения электролитического покрытия или теплового напыления. Хотя оба этих способа могут и быть приемлемыми, тепловое напыление может добавить дополнительные преимущества, состоящие в том, что проводящий материал может глубже проникнуть в пористую сеть пеноуглерода. В показательном примере осуществления настоящего изобретения серебро может быть нанесено на удлиненный выступ 21 с помощью теплового напыления для образования сопряжения между углеродом и металлом. В дополнении к серебру могут использоваться и другие проводящие материалы для образования сопряжения между углеродом и металлом в зависимости от конкретного применения.

Как только было установлено сопряжение между углеродом и металлом на удлиненном выступе 21, второй проводящий материал может быть добавлен к удлиненному выступу 21 для завершения электрического соединения. Например, на удлиненный выступ 21 может быть нанесен такой металл, как свинец. В показательном примере осуществления изобретения свинец увлажняет обработанный серебром пеноуглерод таким образом, что это позволяет свинцу отложиться на удлиненном выступе 21 для образования приемлемого электрического соединения.

После образования электрического соединения на удлиненном выступе 21 на токоприемник 20 наносится химически активная паста таким образом, что химически активная паста проникает в сеть пор в пеноуглероде. Один показательный способ для нанесения химические активной пасты на токоприемник 20 включает нанесение пасты на переводной лист, включая нанесение пасты поверх токоприемника 20, и применение давления на переводной лист, чтобы вызвать проникновение химически активной пасты в поры 41. Давление для вдавливания пасты в поры 41 может быть обеспечено валиком, механическим прессом или другим приемлемым устройством.

Первоначально химически активная паста, которая наносится на токоприемники 20 как положительно, так и отрицательных пластин, может быть практически одинаковой с точки зрения своего химического состава. Например, паста может включать окись свинца (PbO). Другие оксиды свинца могут также быть приемлемы. Паста может также включать различные добавки, например, различное процентное отношение свободного свинца, структуральных волокон, проводящих материалов, углерода и расширители для аккомодации изменения объема в течение срока службы батареи. На практике составляющие химически активной пасты могут быть смешаны с небольшим количеством серной кислоты и воды для образования пасты, которая может быть расположена внутри пор 41 токоприемника 20.

Как только паста была нанесена на токоприемники 20, формируются положительные и отрицательные пластины. Для создания положительной пластины токоприемник 20, включая пасту из окиси свинца, например, подвергается процессу термообработки. Этот процесс термообработки может включать подвергание токоприемника 20 с пастой воздействию повышенных температур и влажности для стимуляции роста кристаллов сульфата свинца внутри пасты. Однако для создания отрицательной пластины токоприемник 20, включающий пасту из окиси свинца, может быть оставлен без обработки, за исключением возможного этапа сушки.

Когда положительные и отрицательные пластины были собраны вместе для образования ячеек батареи 10 (показано на Фиг.1), батарея 10 подвергается процессу зарядки (т.е. формирования). Во время данного процесса зарядки термообработанная паста положительной пластины электрически переводится в двуокиси свинца (PbO₂) и паста отрицательной пластины преобразуется в губчатый свинец. Наоборот, во время последующего процесса разрядки батареи 10, пасты как положительной, так и отрицательной пластины преобразуются в сульфат свинца.

Промышленная применимость

Путем включения углерода в пластины электрода батареи 10 по настоящему изобретению может быть подавлена коррозия токоприемника 20 положительной пластины электрода. В результате, батарея по настоящему изобретению может предложить значительно более продолжительный срок службы.

Дополнительно большая величина зоны поверхности, связанная с материалами пеноуглерода или пенографита, формирующая токоприемники 20, приводит к получению батареями больших удельных значений энергии. В частности благодаря открытой ячейке, пористой сети и относительно небольшому размеру пор углеродного пенистого материала химически активная паста положительных и отрицательных пластин тесно интегрируется с токоприемниками 20. Места реакции в химически активной пасте расположены близко к одному или более проводящих структуральных элементов 42 из пеноуглерода. Следовательно, электроны, производимые химически активной пастой в определенном месте реакции должны перемещаться только на короткое расстояние через пасту перед встречей с одним из многих высокопроводных структуральных элементов 42 токоприемника 20. В результате батареи с токоприемниками 20 из пеноуглерода могут предложить улучшенные значения удельной энергии. Другими словами, эти батареи, будучи помещенными под нагрузку, могут выдерживать свое напряжение над заранее заданным пороговым значением в течение более длительного периода времени, чем батареи, включающие либо свинцовые токоприемники или графитовые пластинчатые токоприемники.

Увеличенные значения удельной энергии, предлагаемые батареями по настоящему изобретению, также дают уменьшение времени зарядки. Следовательно, батареи по настоящему изобретению могут быть приемлемы для применений, в которых энергия зарядки имеется только на очень ограниченное время. Например, в транспортных средствах, большая часть энергии теряется во время обычного торможения. Эта энергия торможения может быть поймана и использована для зарядки батареи, например, гибридного транспортного средства. Однако энергия торможения имеется только на короткий период времени (т.е. во время возникновения торможения). Таким образом, любая передача энергии торможения на батарею должна происходить во время торможения. В связи с уменьшением времени их зарядки батареи по настоящему изобретению могут обеспечить эффективное средство для хранения подобной энергии торможения.

Дополнительно пеноуглерод токоприемника по настоящему изобретению является пластичным и, следовательно, он может быть менее подвержен повреждениям от вибрации или удара, по сравнению с текущими токоприемниками, изготовленными из графитовых пластин или другого хрупкого материала. Следовательно, батареи, включающие токоприемники из пеноуглерода, могут хорошо работать при применении в транспортных средствах или других применениях, где обычными являются вибрации и удары.

Далее путем включения токоприемников их пеноуглерода, имеющих плотность около менее 0,6 г/см³, батарея по настоящему изобретению может весить значительно меньше, чем батареи, включающие либо свинцовые токоприемники или графитовые пластинчатые токоприемники. Другие аспекты и признаки настоящего изобретения могут быть получены из изучения чертежей, раскрытия изобретения и прилагаемой формулы.

1. Электродная пластина для батареи (10), включающая:

токоприемник (20) из пеноуглерода, содержащий сеть пор (41), и

химически активную пасту, нанесенную на токоприемник из пеноуглерода таким образом, что химически активная паста проникает в сеть пор.

2. Электродная пластина по п.1, отличающаяся тем, что химически активная паста включает оксид свинца.

3. Электродная пластина по п.1, отличающаяся тем, что токоприемник из пеноуглерода имеет общее значение пористости менее 60%, значение открытой пористости, по крайней мере, 90% и плотность около менее чем 0,6 г/см³.

4. Электродная пластина по п.1, отличающаяся тем, что токоприемник из пеноуглерода имеет значение электрической сопротивляемости около менее 1 Ом·см.

5. Электродная пластина по п.1, отличающаяся тем, что токоприемник из пеноуглерода представляет собой пенографит и имеет значение электрической сопротивляемости между около 100 и около 400 мкОм·см.

6. Батарея (10), включающая, по крайней мере, один корпус (11) электродной пластины;

положительную клемму (12) и отрицательную клемму (12), которые являются внешними по отношению к корпусу;

по крайней мере, одну ячейку (13), расположенную внутри корпуса и включающую, по крайней мере, одну положительную пластину электрода в соответствии с любым из пп.1-5 и, по крайней мере, одну отрицательную пластину, подсоединенные к положительной клемме и отрицательной клемме соответственно; и

электролитический раствор, заполняющий объем между положительной и отрицательной пластинами.

7. Батарея (10), включающая, по крайней мере, один корпус (11) электродной пластины;

положительную клемму (12) и отрицательную клемму (12), которые являются внешними по отношению к корпусу;

по крайней мере, одну ячейку (13), расположенную внутри корпуса и включающую, по крайней мере, одну положительную пластину электрода в соответствии с любым из пп.1-5 и, по крайней мере, одну отрицательную пластину в соответствии с любым из пп.1-5, подсоединенные к положительной клемме и отрицательной клемме соответственно; и

электролитический раствор, заполняющий объем между положительной и отрицательной пластинами.

8. Способ изготовления электродной пластины для батареи свинцовых аккумуляторов, включающий:

формирование токоприемника из пеноуглерода, отличающегося тем, что токоприемник содержит удлиненный выступ, а пеноуглерод содержит сеть пор;

формирование электрического соединения на удлиненном выступе токоприемника;

нанесение химически активной пасты на токоприемник таким образом, что химически активная паста проникает в сеть пор пеноуглерода.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что этап формирования электрического соединения далее включает:

нанесение первого проводящего материала на удлиненный выступ и

нанесение второго проводящего материала на первый проводящий материал.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что первый проводящий материал включает серебро и наносится в виде термонапыления на удлиненный выступ, а второй проводящий материал включает свинец.