[发明专利]双极电池组件

说明书

优先权声明

本申请要求2009年1月21日申请的美国临时申请序列号No.61/146,270的申请日的权益，该申请的全部内容特别地通过参考结合于此。

技术领域

这里所公开和示出的发明总体上涉及电池，并且更具体地涉及双极铅酸电池设备。

背景技术

虽然替代电池材料已经有了相当的研究和发展，但是铅酸电池仍然是很多需要可更换电池能量的运行的最常见选择，尤其是在寻求高电流容量时。常规铅酸电池常见的是多单元结构，其中每个单元包括一组由包含一层或多层电化学活性膏或活性材料的铅或铅合金栅格所形成的交叉型单极正极和负极板。正极和负极板通常共享其间的共用隔板以防止短路。

正极电极板上的膏通常将包括提供二氧化铅(PbO₂)的材料，其在充电时能用作正极活性材料。负极板包含负极活性材料，比如海绵铅。酸性电解液比如硫酸插入在正极和负极板之间。

传统的铅酸电池在构造板时使用重金属铅。从而，随着电能需求增大(因而增大所需板的数目)，电池变得极重，使得其不适合用于减重很关键的场合中，比如飞行器、电动汽车和车辆领域。为了解决与使用重铅板相关的重量问题的努力中，已经从重量较轻的材料开发了较薄的板，用于代替铅和与铅组合。较薄轻质板的使用产生了增大板数目从而提高铅酸电池功率密度的机会。然而，常规电池性能可提高的程度是有限的，因为其功率和能量密度受到其构造的限制。

为了克服常规铅酸电池的这些构造限制，已经开发了相比单极电池技术而言提供提高潜能的双极电池。与常规铅酸电池构造不同，双极电池构造包括一组电极板都包含在一侧上的负极活性材料和在另一侧上的正极活性材料的电极板，从此使用词语“双极”和“双板”。双板一般以如此的方式连续地布置以使得一个板的正极侧指向相对板的负极侧。双极电池由通过相对极性的双板限定的分离电解单元构成。双板是导电的以在单元之间提供串联连接。

双板通常视为能提供相比常规单极电池而言提高的电流。提高的电流相信是从双板的一个极性至另一个极性的穿板电流传输的结果。也就是，在常规单极电池中，电流必须从一个电极板经由常见地为曲折的并且具有相对显著长度的导电路径行进至另一相对极性的电极板。双极电池显著缩短的单元间电流路径从而能降低电池的内部电阻，使得其在放电和充电运行模式下都比常规单极电池更有效率。于是，降低内部电阻的能力允许构造相比其等同单极电池而言较小且较轻的双极电池，使得其是用于对于尺寸、重量或这两个问题而言都非常重要的飞行器、军用和电动车辆工业中的高度期望的替代方案。

然而，双极电池并非没有其自身的困难和问题。第一个困难涉及电池内的热温度控制以及能控制电池内温度以产生优化电池运行效率的相关希望。另一相关问题涉及当电池在不希望的温度状况下运行时断开电流以有效地切断电池从而帮助避免潜在有害状况的希望。

而且，以前的双极电池构造一直使用通过麻烦的外部结构紧固的庞大端板来确保没有边缘密封断裂。这种双极电池通常是不可升级的，因为端板的厚度必须随着更大的双极板尺寸而增大以防止发生端部密封断裂和随后泄漏。于是，双极电池通常实际上限制于小容量以维持高的功率密度。

常见涉及双极电池设计的其他问题包括一直希望通过一个或多个用于增大能量产生、降低重量、降低总体构造尺寸、提高支撑内部压缩负载的构造设计、减少构造材料、或减少组配运行的变型来提高电池效率。

美国专利No.4,275,130公开了一种双极铅酸电池构造，其包括导电热塑性材料的双板、适合于承载活性材料的隔板、以及用于包含和维持活性材料和导电双板运行地组装和电气接触的装置。教导并没有显示为讨论解决温度问题的任何电池组件。

美国专利No.4,510,219公开了一种用于单极或双极电池中的铅酸电池板构造。这里所述的板包括具有氧化锡颗粒覆层的玻璃纤维片材。该专利的教导没有显示旨在解决电池温度问题。

美国专利No.4,658,499公开了一种包括嵌入在穿孔热塑性片材中的金属丸的双极金属板。所公开的热塑性材料描述为熔点低于作为优选金属丸材料的铅的熔点。然而，该专利的教导没有显示旨在解决电池温度问题。

美国专利No.5,585,209公开了一种包括钛芯表面作为防腐蚀手段的双极电池板。虽然优选材料描述为提高电池内的温度稳定性，但是该专利的教导没有显示旨在解决在电池内的温度超过预定阈值的情况下自动控制地关闭的问题。