Усовершенствованное устройство аккумулирования энергии

Усовершенствованное устройство аккумулирования энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к устройствам аккумулирования энергии, включающим в себя свинцово-кислотные батареи, а также к электродам и устройствам аккумулирования энергии, содержащим такие электроды.

Имеется растущая потребность в аккумуляторных батареях, которые обеспечивают возможность получения высокого тока из батареи на различных стадиях работы, так как пока они способны поставлять более низкий долговременный ток для других стадий работы. Необходимо также, чтобы указанные батареи были способны эффективно повторно заряжаться с высокими и низкими скоростями повторного заряда. Применения данных батарей включают в себя использование в обычных аккумуляторных батареях для автомобилей, электрических и гибридных электрических транспортных средствах, транспортных средствах, снабжаемых энергией батарей, таких как автопогрузчики с вилочным захватом, в применениях с использованием возобновляемой энергии, таких как солнечные батареи и воздушные турбины, в которых для выравнивания энергоснабжения необходима энергия вспомогательной батареи, и в применениях с использованием запасенных мощностей, таких как UPS.

Несмотря на то что в создании новых батарей и энергосетей для транспортных средств и других применений имеются значительные достижения, таким батареям все же присущи недостатки, вызывающие ряд проблем.

Для всех указанных батарей различные требования в особенности предъявляются к току, получаемому из батарей, и к способности батарей к перезарядке на различных стадиях работы. В случае их использования в транспортных средствах, в качестве одного примера, необходима высокая скорость разряда батареи для обеспечения возможности разгона или заведения двигателя в электрических и гибридных электрических транспортных средствах соответственно. Высокая скорость перезарядки батареи связана с рекуперативным торможением. В указанных высокоскоростных операциях (и в высокоскоростной зарядке в других применениях батарей) предпочтительно необходимо, чтобы батарея была способна обеспечивать высокую скорость разряда в течение 1 минуты или более.

На ранней стадии работы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, использованных в указанных применениях, в результате постепенного накопления сульфата свинца на поверхностях отрицательных пластин может произойти нарушение в работе батареи на отрицательной пластине. Оно происходит вследствие того, что сульфат свинца не может быть эффективно превращен во время высокоскоростной перезарядки обратно в губчатый свинец. В конечном счете, слой сульфата свинца накапливается до такой степени, при которой заметно уменьшается эффективная удельная поверхность пластины, и пластина уже больше не может доставлять большой ток, необходимый для автомобилей. В результате значительно уменьшается потенциальный срок службы батареи.

Последние усовершенствования отрицательных пластин данных батарей улучшили ситуацию до такой степени, при которой теперь уже положительные пластины батареи, вероятно, будут выходить из строя прежде отрицательных пластин. Поэтому задачей настоящего изобретения является повышение срока службы положительных пластин и дальнейшее совершенствование высокопроизводительных батарей, в которых будут использоваться указанные усовершенствования. Имеется также потребность в модифицированных батареях, таких как свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, которые в большинстве случаев имеют повышенный срок службы и/или повышенную общую производительность по сравнению с находящимися в обращении аккумуляторными батареями.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предусмотрено устройство аккумулирования энергии, содержащее:

по меньшей мере один отрицательный электрод, причем каждый отрицательный электрод отдельно выбран из:

(i) электрода, содержащего материал отрицательного электрода батареи;

(ii) электрода, содержащего материал отрицательного электрода конденсатора;

(iii) смешанного электрода, содержащего или

- смесь материалов электрода батареи и электрода конденсатора или

- участок материала электрода батареи и участок материала электрода конденсатора или

- их комбинацию,

и где устройство аккумулирования энергии содержит или, по меньшей мере, один электрод типа (iii) или содержит, по меньшей мере, один электрод каждого из типов (i) и (ii),

по меньшей мере, один положительный электрод,

в котором положительный электрод содержит материал положительного электрода батареи и добавку, повышающую зарядную способность.

Авторы установили и показали, что включение в материал положительного электрода батареи добавки, повышающей зарядную способность (обычно добавлением во время приготовления пасты для положительного электрода), обеспечивает возможность повышения срока службы положительной пластины с тем, чтобы он наиболее близко соответствовал таковому отрицательной пластины, которая сама по себе имеет более продолжительный срок службы в результате использования электрода подходящих типов (который включает в себя материал электрода конденсатора для высокоскоростного заряда и разряда). Идеально, когда электроды обоих типов уравновешены так, чтобы положительные и отрицательные пластины выходили из строя одновременно, хотя, конечно, могут быть случаи, когда нарушения будут происходить сначала на электроде одной полярности, а затем на электроде другой полярности.

Зарядная способность относится к способности данного электрода принимать заряд (во время заряда) и быть способным обеспечивать (во время разряда) подобное количество заряда. Ее обычно измеряют отношением количества электричества (например, в a-ч), подводимого к электроду (т.е. заряда), к количеству электричества, выводимому из электрода (т.е. разряду), (названным отношение заряда к разряду). В идеальном случае отношение заряда к разряду электрода равно 1. На практике отношение заряда к разряду электрода обычно больше единицы, поскольку часть количества заряда, принятого электродом во время заряда, будет потеряна вследствие нагрева и газовыделения под действием повторного заряда и разряда. В примерах изложено испытание, позволяющее установить, будет или нет данная добавка повышать зарядную способность. Испытание включает совершение циклов заряда и разряда устройством аккумулирования энергии с использованием профиля заряда, предназначенного для моделирования стандартной работы устройства, и оценку достигнутого числа циклов перед достижением значения предельного напряжения заряда.

На зарядную способность положительного электрода из диоксида свинца оказывают также влияние следующие факторы:

(i) Концентрация электролита

Уменьшение концентрации электролита повышает зарядную способность положительного электрода из диоксида свинца. Подходящая плотность сернокислотного электролита, используемого в производстве устройств для аккумулирования энергии на основе диоксида свинца настоящего изобретения, составляет 1,26-1,32.

(ii) Проводимость пластин

Как указывалось выше, во время заряда и разряда часть принятого заряда будет превращаться в тепло и газовыделение, и поэтому повышение проводимости материала пластины (электрода) будет уменьшать тепловые эффекты. Это может быть достигнуто:

- повышением плотности пасты положительного электрода из диоксида свинца: прежде использовались плотности от 3,8 до 4,3 г/см³, а теперь предлагаются плотности от 4,2 до 4,7, предпочтительные плотности от 4,4 до 4,7 г/см³ дают лучшие результаты; и

- уменьшением толщины электрода за счет использования тонкой решетки (оптимальная толщина от 0,8 до 2,2 мм, например от 0,8 до 1,2 мм).

Могут быть использованы указанные факторы, а также добавление к активному материалу положительного электрода батареи одной из установленных добавок, повышающих зарядную способность, во время приготовления пасты.

Данные факторы не являются существенными. В большинстве случаев плотность пластины может составлять 4,0-4,7 г/см³ и толщина решетки может составлять 0,8- 6 мм.

(iii) Скорость выделения кислорода

Как указывалось выше, во время заряда и разряда часть принятого заряда будет превращаться в тепло и газовыделение. Повышение проводимости электрода может свести к минимуму нагрев, но не газовыделение. Для уменьшения газовыделения к активному материалу положительной пластины во время приготовления пасты могут быть выгодно добавлены добавки, подавляющие кислород.

Влияние концентрации кислоты на зарядную способность положительного электрода из диоксида свинца будет подробно объяснено в примерах. Диоксид свинца взаимодействует с серной кислотой и превращается во время разряда в сульфат свинца. Соответственно, концентрация раствора серной кислоты уменьшается. С другой стороны, сульфат свинца взаимодействует с водой и образует во время заряда диоксид свинца. Следовательно, концентрация серной кислоты возрастает. Превращение сульфата свинца в диоксид свинца во время заряда происходит быстрее в кислом растворе низкой концентрации. Однако, к сожалению, батарея, в которой используется кислота с низкой концентрацией, дает во время разряда низкую емкость. Таким образом, было обнаружено, что лучше использовать положительную пластину с высокой плотностью пасты (например, 4,4-4,7 г/см³) и низкий объем раствора кислоты с удельным весом примерно 1,28. Поскольку положительная пластина с высокой плотностью пасты будет иметь меньшую пористость, чем пластина с низкой плотностью пасты, диффузия кислого раствора или из объема раствора внутрь положительной пластины, или с внутренней стороны положительной пластины в объем раствора является затруднительной. Поэтому после разряда концентрация кислоты внутри положительной пластины с высокой плотностью пасты будет уменьшаться до очень низкого значения и такое уменьшение будет повышать переход сульфата свинца обратно в диоксид свинца во время последующей перезарядки. Кроме того, увеличение плотности пасты будет уменьшать пористость материала пластины. В результате увеличится контактирование отдельных частиц, и поэтому повысится проводимость пастированного материала.

В таком случае добавки, повышающие зарядную способность, содержат проводящий материал. В материале положительного электрода вместе с добавками, повышающими зарядную способность, выгодно также используют добавки, подавляющие кислород. Из числа добавок, повышающих зарядную способность, очень хорошо действуют следующие:

(а) проводящий углеродный материал, выбранный из углеродного наноматериала, такого как углеродная нанотрубка или углеродное нановолокно, углеродное волокно, выращенное из паров (VGCF), и/или фуллерен и

(b) проводящие материалы на основе диоксида олова, такие как нанотрубки из диоксида олова, наностержни из диоксида олова и/или стеклянные чешуйки, волокна или сферы, покрытые диоксидом олова.

Количество повышающей зарядную способность добавки, используемое в материале положительного электрода, может составлять 0,05-10 мас.% в расчете на общую массу активного материала положительного электрода, нанесенную во время изготовления положительного электрода. Такое нанесение обычно осуществляют намазкой материала для положительного электрода в форме пасты на токоприемник, такой как решетка. Обычно добавка может быть использована в количестве от 0,1 до 1,0 мас.%, например в количестве 0,1-0,5 мас.%. Количества добавки, повышающей зарядную способность, относятся к общему количеству добавки, повышающей зарядную способность, которая в данном случае включает в себя более одного компонента.

Примеры подходящих веществ, подавляющих кислород, включают одно или несколько следующих веществ:

оксид, гидроксид или сульфат сурьмы,

оксид, гидроксид или сульфат висмута,

оксид, гидроксид или сульфат мышьяка.

Количество вышеуказанной добавки, подавляющей кислород, может быть следующим:

0-500 промилле сурьмы (например, 20-200 (промилле)

100-1000 промилле висмута (например, 200-600 промилле)

0-500 промилле мышьяка (например, 20-200 промилле).

Количества в промилле относятся к количеству добавки для активного материала электрода (или предшественника), которое измерено во время приготовления пасты. В случае положительного электрода из диоксида свинца количества в промилле приведены в расчете на оксид свинца в пастообразной смеси.

В соответствии с настоящим изобретением предложен также новый тип электрода для устройства аккумулирования энергии, при этом электрод содержит токоприемник и, по меньшей мере, один участок, который намазан пастообразным покрытием, при этом пастообразное покрытие содержит смесь материала электрода батареи и 0,05-15 мас.%, в расчете на массу пастообразного покрытия, одного или нескольких материалов, включающих:

(а) материал электрода конденсатора, содержащий:

5-85 мас.% сажи

20-80 мас.% активированного угля

0-25 мас.% углеродного материала, иного, чем сажа или активированный уголь, такого как углеродное волокно, графит, углеродная нанотрубка и/или фуллерен,

0-30 мас.% связующего вещества и

0-20 мас.% добавки к материалу конденсатора,

(b) углеродный наноматериал, VGCF и/или фуллерен и

(с) проводящий материал на основе диоксида олова.

Для положительных электродов, подходящих для использования в устройствах аккумулирования энергии типа свинцово-кислотных, материал для электрода батареи подходяще представляет собой диоксид свинца или оксид свинца, который превращается во время формирования в диоксид свинца. В таком случае материал, смешанный с материалом для электрода батареи, выбран из (b) и (с).

Для отрицательных электродов, подходящих для использования в устройствах аккумулирования энергии типа свинцово-кислотных, материал для электрода батареи подходяще является губчатым свинцом или оксидом свинца, который превращается при формировании в губчатый свинец. В таком случае материал, смешанный с материалом для электрода батареи, является (а) материалом.

Добавка материала конденсатора для отрицательного электрода подходяще содержит одну или более добавок, выбранных из оксидов, гидроксидов или сульфатов цинка, кадмия, висмута, свинца, серебра. Подходящие количества указанных добавок могут быть следующими:

0-5% цинка (предпочтительно 0,02-1%)

0-2% кадмия (предпочтительно 0-1%)

0,01-2% висмута (предпочтительно 0,02-1%)

0-10% свинца (предпочтительно 2-6%)

0-5% серебра (предпочтительно 0,02-2%)

В особенности было обнаружено, что использование материала конденсатора в количестве примерно 0,5-15 мас.%, например 2-10 мас.%, в расчете на массу активного материала отрицательного электрода батареи предоставляет значительные выгоды устройствам аккумулирования энергии.

В соответствии с другим аспектом подходящей формой устройства аккумулирования энергии является гибридная батарея-конденсатор.

В одной форме гибридная батарея-конденсатор может содержать:

по меньшей мере, один положительный электрод, содержащий материал положительного электрода батареи с добавлением добавки, повышающей зарядную способность (как описано ранее),

по меньшей мере, один отрицательный электрод или участок электрода, содержащий материал отрицательного электрода батареи,

материал конденсатора, включенный, по меньшей мере, в один отрицательный электрод устройства, или

в виде смеси с материалом отрицательного электрода батареи;

в виде участка материала конденсатора на отрицательном электроде, содержащем материал электрода батареи;

на отдельном отрицательном электроде, несущем материал электрода конденсатора и не имеющем материал электрода батареи; или

в комбинацию указанных местоположений и

электролит в контакте с электродами.

Устройство может содержать дополнительные электроды батареи, электроды конденсатора или смешанные электроды, содержащие материал электрода батареи и материал электрода конденсатора.

В соответствии с одним вариантом положительный электрод может дополнительно содержать участок материала конденсатора. Он может быть расположен в любом местоположении на электроде, но наиболее подходяще он расположен на токоприемнике положительного электрода, при этом материал электрода батареи покрывает сверху материал конденсатора.

Гибридная батарея-конденсатор включает в себя материал батареи и материал конденсатора, при этом каждый отрицательный и положительный электрод соединен параллельно в общий узел. Как следствие, материал конденсатора в электродах предпочтительно принимает или высвобождает заряд во время заряда или разряда высоким током и материал батареи будет принимать или высвобождать заряд во время заряда или разряда низким током. Следовательно, материал конденсатора будет участвовать в высокоскоростной работе батареи и будет обеспечивать батарее значительно более продолжительный срок службы. Все это достижимо без какого-либо электронного управления или переключения между частями батареи и конденсатора.

Активный материал положительного электрода батареи может быть материалом любого из известных типов, хотя его одним особенным примером является диоксид свинца. Подобно, материал отрицательного электрода батареи может быть материалом любого из известных типов, примером является свинец. Следует отметить, что до стадии формирования электрода материал, нанесенный на электроды, может быть соединением свинца, таким как оксид свинца, который может быть превращен в губчатый свинец или диоксид свинца при соответственных полярностях.

При объединении с кислым электролитом гибридное устройство будет основано на конструкции свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, которая является наиболее подходящей для многих применений.

Гибридная батарея-конденсатор может содержать чередующиеся последовательности положительных и отрицательных электродов. Каждый из указанных чередующихся электродов может быть электродом батареи, электродом конденсатора или объединенным электродом батареи и конденсатора. Такие типы электродов будут подробно описаны ниже.

Найдено также, что если имеется плохое соответствие окна потенциала или рабочего диапазона потенциала одного из электродов, может произойти выделение кислородного и водородного газа. Это в особенности относится к такому случаю, когда напряжение ячейки больше, чем диапазон потенциала электрода. Образование водородного газа является нежелательным, так как оно приводит к преждевременному нарушению работы батареи на электроде, где происходит газовыделение.

Для избежания плохого сочетания согласно одному варианту осуществления материал конденсатора в материалах отрицательного электрода и/или материалах положительного электрода батареи, использованных в устройстве, должен иметь специальный состав для уменьшения газовыделения. Материал конденсатора для отрицательного электрода подходяще содержит материал конденсатора с высокой площадью поверхности и одну или более добавок, выбранных из оксидов, гидроксидов или сульфатов свинца, цинка, кадмия, серебра и висмута. Добавки предпочтительно добавляют в оксидной форме. Добавка предпочтительно является смесью вышеуказанных добавок.

Подходящие для использования в активном материале положительного электрода батареи добавки, подавляющие кислород, представляют собой добавки, содержащие сурьму, висмут и мышьяк, которые прежде были раскрыты в данном описании.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 является схематическим видом сбоку свинцово-кислотного устройства аккумулирования энергии в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 2 является схематическим видом сбоку, представляющим конфигурацию электрода устройства аккумулирования энергии фиг. 1.

Фиг. 3 является графиком профиля испытания, использованного для моделирования высокой скорости и условий приведения в движение комбинированного электрического транспортного средства при подъеме на холм и спуске с холма.

Фиг. 4 является графической зависимостью изменений минимальных напряжений двух контрольных ячеек и трех высокопроизводительных ячеек, имеющих конструкцию, показанную на фиг. 1 и 2, и подвергнутых циклам заряда и разряда в соответствии с профилем, показанным на фиг. 3.

Фиг. 5 является графической зависимостью изменений потенциалов положительной и отрицательной пластин двух контрольных ячеек и трех высокопроизводительных ячеек, имеющих конструкцию, показанную на фиг. 1 и 2, и подвергнутых циклам заряда и разряда в соответствии с профилем, показанным на фиг. 3.

Фиг. 6 является графиком профиля, использованного для моделирования приведения в движение комбинированного электрического транспортного средства в городских условиях.

Фиг. 7 является графической зависимостью изменений напряжений в конце разряда двух контрольных ячеек и одной высокопроизводительной ячейки, имеющих конструкцию, показанную на фиг. 1 и 2, и подвергнутых циклам заряда и разряда в соответствии с профилем, показанным на фиг. 6.

Фиг. 8 является графической зависимостью изменений потенциалов положительной и отрицательной пластин двух контрольных ячеек и одной высокопроизводительной ячейки, последняя из которых имеет конструкцию, показанную на фиг. 1 и 2, и подвергнутых циклам заряда и разряда в соответствии с профилем, показанным на фиг. 6.

Фиг. 9 является графической зависимостью концентраций Pb²⁺ от концентраций серной кислоты для электрохимических реакций, происходящих во время разряда и заряда батареи.

Фиг. 10 является графиком разработанного профиля, использованного для оценки действия добавок на зарядную способность положительных пластин.

Фиг. 11 является графической зависимостью изменений напряжений в конце разряда одной контрольной ячейки и ячеек, в которых использованы положительные пластины, легированные углеродными нанотрубками при различных уровнях, подвергнутых циклам заряда и разряда в соответствии с профилем, показанным на фиг. 10.

Фиг. 12 является графической зависимостью изменений положительных потенциалов в конце разряда одной контрольной ячейки и ячеек, в которых использованы положительные пластины, легированные углеродными нанотрубками при различных уровнях, подвергнутых циклам заряда и разряда в соответствии с профилем, показанным на фиг. 10.

Фиг. 13 является графической зависимостью изменений напряжений в конце разряда, потенциалов положительной и отрицательной пластины одной контрольной ячейки и высокопроизводительных ячеек, в которых использованы положительные пластины, легированные различными добавками при различных уровнях, имеющих конструкцию, показанную на фиг. 1 и 2, и подвергнутых циклам заряда и разряда в соответствии с профилем, показанным на фиг. 6.

Фи. 14 является графиком профиля, использованного для моделирования условий приведения в движение гибридных автобусов и грузовых автомобилей.

Фиг. 15 и 16 являются схематическим видом сбоку и схематическим видом сверху свинцово-кислотного устройства аккумулирования энергии в соответствии со вторым вариантом изобретения.

Фиг. 17 является схематическим видом сбоку, представляющим размещение электродов батареи третьего варианта изобретения.

Фиг. 18 является схематическим видом сбоку одного из свинцово-кислотных отрицательных электродов, одна поверхность которого покрыта слоем материала конденсатора.

Фиг. 19 и 20 представляет собой вид спереди и сбоку одного из свинцово-кислотных отрицательных электродов с участком, намазанным материалом конденсатора.

Фиг. 21 является схематическим видом сбоку, представляющим размещение электродов свинцово-кислотной аккумуляторной батареи четвертого варианта изобретения, в которой использованы отрицательные электроды с конфигурацией, показанной на фиг. 19 и 20.

Фиг. 22 является схематическим видом сбоку, представляющим размещение электродов батареи.

Фиг. 23 является схематическим видом сбоку одного из положительных электродов, обе поверхности которого покрыты материалом конденсатора.

Фиг. 24 является схематическим видом сбоку, представляющим размещение электродов батареи.

Фиг. 25 является схематическим видом сбоку одного из положительных электродов с покрытием из материала электрода конденсатора на токоприемнике, на которое намазан активный материал положительного электрода батареи.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение будет теперь подробно объяснено со ссылкой на предпочтительные варианты изобретения.

Для избежания сомнений, кроме случаев, когда контекст требует иначе, вследствие необходимости специального языкового выражения или необходимого смысла, слово « включать» или варианты, такие как «включает» или «включающий» используются в смысле включения в себя, то есть для указания присутствия установленных признаков, но не для устранения присутствия или добавления дополнительных признаков в различные варианты изобретения.

Общие характерные признаки

Выражение «устройство аккумулирования энергии» относится к любому устройству, которое накапливает энергию. Накопление может происходить через посредство электрохимических реакций, за счет разнесения заряда (то есть емкостным образом, как в случае конденсатора) или за счет комбинации указанных механизмов.

Термин «аккумуляторная батарея» в широком смысле относится к любому устройству, которое накапливает энергию преимущественно электрохимическим образом. В качестве одного примера, выражение «свинцово-кислотная аккумуляторная батарея» используется в его самом широком смысле для включения узла, содержащего одну или более ячеек свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Описанные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи содержат, по меньшей мере, один отрицательный электрод или участок на основе свинца, по меньшей мере, один положительный электрод на основе диоксида свинца и материал конденсатора в одном или нескольких или на одном или нескольких отрицательных электродах.

Выражение «гибридная батарея-конденсатор» в его самом широком смысле относится к любому гибридному устройству, содержащему положительные и отрицательные электроды, включающие в себя материал батареи и материал конденсатора для электрохимического и емкостного накопления энергии. Термин «гибридный» является ссылкой на присутствие в одном устройстве материала батареи и материала конденсатора.

В последующем описании раскрыты различные возможные типы электродов, после чего приводится понятие участка электрода.

Когда указывается, что устройство аккумулирования энергии содержит, по меньшей мере, один электрод типа (iii) (смешанный электрод) или, по меньшей мере, один электрод каждого из типов (i) (электрод батареи) и (ii) (электрод конденсатора), можно альтернативно сказать, что когда устройство не содержит электрод типа (iii), устройство аккумулирования энергии содержит, по меньшей мере, один электрод типа (i) и, по меньшей мере, один электрод типа (ii). Каждый тип электрода: электрод батареи, электрод конденсатора и смешанный электрод, описан ниже более подробно.

Структура электрода

Электроды обычно содержат токоприемник (иначе известный как решетка) с нанесенным на него активным электродным материалом. Активный электродный материал наиболее часто наносят в форме пасты на токоприемник, и в настоящем описании термин «паста» применяется для всех содержащих такой активный материал композиций, нанесенных любым способом на токоприемник. При использовании в контексте электроды, «содержащие» определенный материал, данное выражение указывает, что электрод содержит названный материал и может включать в себя другие материалы. Такой электрод может быть предпочтительно на основе указанного электродного материала так, чтобы он имел функцию только указанного типа электродов. Термин «на основе», использованный в контексте электродов, предназначен для отнесения к активному электродному материалу. Данный термин используется для избежания предположения о том, что электрод сформирован полностью из активного материала, так как это не так. Термин также предназначен для указания того, что активный материал данного электрода может содержать добавки или материалы, иные, чем конкретно названный активный материал. Одним неограничительным примером является связующее вещество.

Электроды, содержащие материал для отрицательного электрода батареи

Использованные в настоящем изобретении отрицательные электроды батареи могут быть электродами типа тех, которые используются в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, или электродами других типов. Отрицательные электроды свинцово-кислотной аккумуляторной батареи описаны ниже более подробно. Альтернативные типы электродов аккумуляторной батареи являются такими, которые используются в никелевых перезаряжаемых аккумуляторных батареях, литиевых металлических или литиево-ионных перезаряжаемых батареях и так далее. Подходящие материалы для отрицательного электрода батареи в данном классе включают цинк, кадмий, гидриды металлов, литий в металлической форме или в форме сплава с другими металлами, такими как алюминий, и литиево-ионные интеркаляционные материалы. Подробности, касающиеся указанных электродных материалов, и альтернативы указанным электродным материалам, используемым в различных типах аккумуляторных батарей, известны специалистам в данной области и могут быть собраны из публикаций в данной области.

Положительные электроды, содержащие материал для положительного электрода батареи

Использованные в настоящем изобретении положительные электроды аккумуляторной батареи могут быть электродами типа тех, которые используются в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, или электродами других типов. Положительные электроды батареи из диоксида свинца (или оксида свинца, превращаемого в диоксид свинца) описаны ниже более подробно. Альтернативные типы электродов аккумуляторной батареи являются такими, которые используются в никелевых перезаряженных аккумуляторных батареях, литиевых металлических или литиево-ионных перезаряжаемых батареях и так далее. Подходящие материалы для положительного электрода батареи в данном случае включают оксид никеля, оксид серебра, оксид марганца, литийсодержащие полимерные материалы, смешанные оксиды лития, включающие оксиды лития и никеля, оксиды лития и кобальта, оксиды лития и марганца и оксиды лития и ванадия, и литийсодержащие проводящие полимерные катодные материалы. Подробности, касающиеся указанных электродных материалов, и альтернативы указанным электродным материалам, используемым в различных типах аккумуляторных батарей, известны специалистам в данной области и могут быть собраны из публикаций в данной области. Раскрытые в данной заявке принципы максимального повышения и уравновешивания емкости каждой отрицательной и положительной пластины (с использованием в качестве примера свинцово-кислотных аккумуляторных батарей) могут быть подобно использованы для других типов батарей.

Электроды на основе свинца и диоксида свинца

В случае электродов из свинца и диоксида свинца они могут иметь любую конструкцию или тип, подходящий для использования в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее. Обычно такие электроды имеют форму металлической решетки (обычно изготовленной из свинца или сплава свинца), которая несет электрохимически активный материал (свинец или диоксид свинца), который намазан на решетку. Операция пастирования хорошо известна в данной области. Хотя может быть использован любой подходящий свинец или диоксид свинца, известный в данной области, выгодно использование композиций свинца, раскрытых в находящейся на совместном рассмотрении заявке РСТ/AU 2003/001404. Следует отметить, что активный материал перед формированием батареи может не быть в активной форме (то есть он может не быть в форме металла или в форме диоксида). Поэтому термины «свинец» и «диоксид свинца» включают другие формы, которые превращаются при формировании батареи в металлический свинец (губчатый свинец) или диоксид свинца.

Добавка, повышающая зарядную способность для положительных электродов

Представлены два подкласса проводящих материалов, обеспечивающих хорошие свойства, повышающие способность зарядки:

(i) Проводящие материалы на основе углерода: углеродные наноматериалы, VGCF и/или фуллерен

Термин «углеродный наноматериал» используется обычно для ссылки на углеродные материалы с размером частиц от менее одного нанометра (например, 0,5 нм) до 500 нм. Он включает в себя углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна.

Углеродные нанотрубки обычно приготавливают осаждением предшественников углерода в порах пористых неорганических материалов с последующим растворением неорганического образца. Они обычно имеют диаметр от 0,9 нм до 50 нм. Иногда материал углеродной нанотрубки может содержать неполые волокна. Они могут быть описаны как нановолокна. Поэтому в материале «нанотрубки» может присутствовать смесь двух материалов.

Другой проводящий углеродный материал, обеспечивающий указанные свойства, представляет собой углеродное волокно, выращенное из паров. Такие волокна обычно имеют диаметр от 0,1 мкм до 100 мкм.

Фуллерены являются молекулами на основе углерода в форме полых сфер, эллипсоидов или трубок. Фуллерены обычно имеют диаметр от 0,5 нм до 4 нм. Фуллерены представляют собой молекулы на основе структурированного углерода, содержащие, по меньшей мере, С₆₀ атомов углерода.

Углеродные нанотрубки, VGCF и фуллерены обеспечивают повышенную зарядную способность. В противоположность им, другие материалы, подвергнутые испытаниям, такие как графит и материал конденсатора (содержащий сажу и активированный углерод), не обеспечивают необходимую повышенную зарядную способность.

(ii) Проводящие материалы на основе диоксида олова

Проводящие материалы на основе диоксида олова включают в себя нанотрубки из диоксида олова, наностержни или нановолокна из диоксида олова и стекла, покрытые диоксидом олова (или оксидом другого металла), которые иногда относят к «проводящим стеклам».

Проводящие стекла, содержащие диоксид олова и стеклянные материалы, покрытые другим металлическим сплавом, используют в форме листов в различных применениях, включающих в себя технологию для изготовления дисплеев и микроструктурирование. Представляющие интерес в указанном применении проводящие добавки стекла, покрытого диоксидом олова, имеют форму чешуек, волокон или сфер проводящих стекол, имеющих размерные характеристики, которые дают возможность материалу обеспечивать положительному электроду проводимость, высокую площадь поверхности и пористость. Указанная добавка предпочтительно является устойчивой к электролиту. В случае кислого электролита добавка предпочтительно является кислотостойкой.

Выше указывалось, что зарядная способность относится к способности данного электрода принимать заряд (во время заряда) и к способности обеспечивать (во время разряда) подобное количество заряда. Испытание, использованное для оценки зарядной способности данного электрода, включает последовательный разряд и заряд электрода при 1-часовой или 2-часовой номинальной емкости в пределах данного окна состояния заряда (например, между 20 и 80% состоянием заряда) до тех пор, пока напряжение ячейки или потенциал положительной пластины не достигнет значения предельного напряжения зарядки. Кроме того, во время совершения циклов емкость разряда и заряда должна поддерживаться при одинаковом значении. Электрод, имеющий наилучшую зарядную способность, будет совершать наибольшее число циклов (число разрядов и зарядов) перед тем, как его потенциал достигнет значения предельного напряжения зарядки. При сравнении результатов данного испытания для электрода с добавкой и для такого же электрода без добавки может быть проведена оценка на предмет того, будет ли добавка повышать зарядную способность электрода. В данном контексте термин «пластина» п