專利名稱：智能蓄電池隔板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及改進(jìn)的能量存儲電池隔板，并且特別地涉及在能量存儲電池中使用的微孔隔板，該微孔隔板具有使得能夠在可變操作條件下增強(qiáng)性能的特性。
背景技術(shù)：
在20世紀(jì)70年代后期，研制出了無水添加鉛酸蓄電池，不像它的前驅(qū)膠體蓄電池那樣，該蓄電池使用獨(dú)特的吸收性強(qiáng)的隔板來像海綿那樣保持蓄電池酸液。用于這種能量存儲電池的隔板是吸收性玻璃墊(absorbent glass mat，AGM)，吸收性玻璃墊是由玻璃絲微纖維制成的無紡隔板。AGM隔板通常在其中酸液被隔板吸收但是隔板的全部孔隙未被酸液完全地填充的部分飽和狀態(tài)中操作。包含AGM隔板的可充電鉛酸能量存儲電池根據(jù)氧復(fù)合原理操作，由此在正極板處產(chǎn)生的氧氣通過部分飽和AGM隔板擴(kuò)散并且因此能夠在負(fù)電極的表面處被化學(xué)還原以被重新形成為(reformed back into)水。為了更好地促進(jìn)氧復(fù)合反應(yīng)并且減小總體水損失，能量存儲電池還結(jié)合在電池中維持低排出壓力(通常從大約 l-5psi (磅/平方英寸))的卸壓閥。相應(yīng)地，氧復(fù)合被用于消除在能量存儲電池的壽命期間的水添加。因?yàn)锳GM能量存儲電池不是“氣體自由”的，所以它們還可以被稱作使用AGM技術(shù)的閥控鉛酸(VRLA)蓄電池。如上所述，AGM隔板是柔軟的、可壓縮的且吸收性強(qiáng)的無紡微玻璃墊隔板。以類似于一次性嬰兒尿布的方式，AGM隔板吸收并且保持酸液。隔板有92-96%孔隙度并且實(shí)際上吸收它的重量7-8倍的酸液。AGM能量存儲電池被設(shè)計(jì)成使得極板和AGM隔板的厚度非常緊密地適配到電池殼中。事實(shí)上，大多數(shù)AGM能量存儲電池被以這樣的方式設(shè)計(jì)當(dāng)被塞入電池殼中時(shí)，AGM隔板最終被壓縮它們的未壓縮體積的20-30%。AGM隔板的壓縮給予電池所需的極板-到-隔板界面接觸并且使得能量存儲電池基本上是防振的。AGM隔板的高度多孔性引起能量存儲電池的較低內(nèi)部電池電阻和較好高倍率(rate)性能。在大多數(shù)(如果不是所有)的情形中，AGM能量存儲電池是能夠在UPS系統(tǒng)、輪椅、 便攜式工具、消費(fèi)者電子設(shè)備、報(bào)警器、船、重型裝置和一些玩具中使用的深循環(huán)蓄電池。其它應(yīng)用可以包括緊急照明、電信裝置、備用電源系統(tǒng)和太陽能供電的蓄電池系統(tǒng)。AGM能量存儲電池的一個(gè)問題在于隨著電池老化，電池失水并且隔板變干。隨著隔板變干，氧復(fù)合率增加并且能量存儲電池變得更熱。在特定條件下，在AGM能量存儲電池中的氧復(fù)合可能變得太激烈，使得能量存儲電池進(jìn)入熱擊穿。如果被用于對能量存儲電池充電的充電器未受到溫度補(bǔ)償，則能量存儲電池可能最終熔化，并且在嚴(yán)重的情形中著火或者燃燒。盡管在本領(lǐng)域中關(guān)于用于能量存儲電池的隔板取得了進(jìn)步，但是繼續(xù)需要與傳統(tǒng)隔板相比呈現(xiàn)改進(jìn)的物理和電化學(xué)性質(zhì)的、用于能量存儲電池的隔板。例如，存在如下需要隨著電池老化，衰減在AGM能量存儲電池中的氧復(fù)合過程以便防止熱擊穿和/或損壞能量存儲電池。

發(fā)明內(nèi)容
關(guān)于上述，本公開的一個(gè)實(shí)施例提供一種用于能量存儲電池的隔板，該隔板由包括不可逆孔隙度控制試劑的微孔網(wǎng)狀物(web )提供。另一個(gè)實(shí)施例提供一種用于改變能量存儲電池的操作特性的方法。該方法包括向隔板材料施加從大約5到大約50重量百分比的不可逆孔隙度控制試劑。可以由隔板材料和不可逆孔隙度控制試劑形成改進(jìn)的隔板。孔隙度控制試劑可以選自作為溫度的函數(shù)改變尺寸的試劑、作為PH的函數(shù)改變尺寸的試劑、作為壓力的函數(shù)改變尺寸的試劑、以及作為溫度、PH和/或壓力的函數(shù)改變尺寸的試劑。然后用隔板來操作該能量存儲電池。如與傳統(tǒng)隔板相比，根據(jù)本發(fā)明的隔板呈現(xiàn)改進(jìn)的性質(zhì)。所公開的實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于隔板可以在可變條件下改進(jìn)能量存儲電池的性能方面發(fā)揮積極的而非消極的作用。迄今，除在鋰離子蓄電池工業(yè)中使用的三層熱關(guān)斷隔板(見轉(zhuǎn)讓給Celgard的US 5，952，120和其它專利)以外，能量存儲電池隔板已是電池的無源構(gòu)件?！瓣P(guān)斷”隔板是拉伸聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯的三層結(jié)構(gòu)。PE的內(nèi)部層被設(shè)計(jì)成在高溫下熔化，因此增加存儲電池的電阻并且“關(guān)斷”能量存儲電池?！瓣P(guān)斷”能量存儲電池的過程是不可逆的，并且一旦這發(fā)生，能量存儲電池便是無功能的并且必須被更換。通過比較，在這里描述的隔板可以被用于隨著能量存儲電池的溫度升高而衰減隔板的電阻，由此使得即使隨著電池老化并且隔板變干也能夠繼續(xù)使用存儲電池。


通過參考當(dāng)結(jié)合示意其一個(gè)或者多個(gè)非限制性方面的以下繪圖考慮時(shí)的示例性實(shí)施例的詳細(xì)說明，示例性實(shí)施例的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)可以變得明顯
圖1是現(xiàn)有技術(shù)隔板的概略截面表示；
圖2是在第一操作條件下的包括孔隙度控制試劑的隔板的概略截面表示； 圖3是在第二操作條件下的包括孔隙度控制試劑的隔板的概略截面表示； 圖4是在加熱隔板之前和之后的包含孔隙度控制試劑的隔板的電阻的圖解示意；以及圖5是包含根據(jù)本公開的實(shí)施例的隔板的能量存儲電池的概略截面表示。
具體實(shí)施例方式如在這里描述的隔板可以由包括天然和合成橡膠、聚烯烴、無紡玻璃纖維等的各種各樣材料制成。用于根據(jù)本公開的AGM隔板的特別適當(dāng)?shù)牟牧鲜菬o紡玻璃纖維和無紡聚烯烴隔板。根據(jù)本公開的隔板的一個(gè)構(gòu)件是顆粒填料。顆粒填料可以選自碳黑、硅藻土和氧化硅顆粒。適當(dāng)?shù)难趸桀w粒源是可從賓夕法尼亞州匹茲堡的PPG hdustries有限公司、 法國里昂的I^hodia Silica Systems和德國杜塞爾多夫的Evonik-Degussa GmbH獲得的沉
淀氧化硅。
如下面描述的，由例如無紡纖維隔板制成的隔板可以受益于包括不可逆孔隙度控制試劑?？梢愿鶕?jù)本公開的示例性實(shí)施例使用的適當(dāng)?shù)目紫抖瓤刂圃噭┛梢赃x自響應(yīng)于上升的溫度而膨脹和響應(yīng)于壓力而收縮的試劑?？梢允褂玫钠渌紫抖瓤刂圃噭┛梢栽陔娊庖篜H增加或者壓力降低時(shí)膨脹。另外的其它孔隙度控制試劑可以響應(yīng)于溫度、壓力和電解液PH中的一個(gè)或者多個(gè)的組合而膨脹。相應(yīng)地，以隨著隔板老化而足以影響隔板孔隙度的數(shù)量使用孔隙度控制試劑。例如，隨著能量存儲電池的溫度增加，孔隙度控制試劑膨脹并且隔板孔隙度降低?？梢栽贏GM能量存儲電池中被用作孔隙度控制試劑的可膨脹顆粒的制備正常通過懸浮聚合來實(shí)現(xiàn)?？梢栽诿绹鴮＠?，615，972中找到可以采用的一些技術(shù)的一般說明和可以用作可膨脹顆粒的各種組分的詳細(xì)說明?？梢栽诿绹鴮＠?，483，889中找到在本公開的實(shí)施例中用作可膨脹顆粒的組分的進(jìn)一步的說明。這兩件專利在此通過引用而被并入。在所公開的實(shí)施例中有用的、商業(yè)上可獲得的可膨脹中空聚合物微球的實(shí)例包括由聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)制成的那些，例如可從瑞典的Akzo Nobel根據(jù)商品名稱 EXPANCEL獲得的聚合物微球?？蓮娜毡镜腗atsumoto Yushi-Seiyaku股份有限公司根據(jù)商品名稱MICR0PEARL微泡獲得的、具有類似的構(gòu)造并且包括例如甲基丙烯腈_丙烯腈共聚物殼體的、其它商業(yè)上可獲得的材料在本發(fā)明中也可用作可膨脹顆粒。通過參考圖1-3，可以更好地理解隔板的孔隙度。圖1是現(xiàn)有技術(shù)隔板10的一部分的概略表示。隔板10可以包括在傳統(tǒng)的網(wǎng)狀物制造過程中被相互接合的無紡纖維 12。例如，在包括長網(wǎng)造紙機(jī)和真空圓網(wǎng)造紙機(jī)、傾斜長網(wǎng)造紙機(jī)和延伸金屬絲真空圓網(wǎng)造紙機(jī)的造紙裝置上通過濕法過程商業(yè)上制作了玻璃纖維隔板和聚烯烴纖維隔板。在用于VRLA蓄電池的、由玻璃纖維制成的隔板的制作中，優(yōu)選的是無任何有機(jī)粘結(jié)劑被添加到由其制成隔板薄板的配料(furnish)；個(gè)體微玻璃纖維的糾纏用于使薄板維持粘性結(jié)構(gòu)，并且水玻璃或者有時(shí)在纖維表面上形成的各種硫酸鹽中的任何一種用作粘結(jié)劑。然而，有機(jī)粘結(jié)劑趨向于降低隔板芯吸酸液的能力，并且降低隔板能夠保持的酸液的數(shù)量。如在U. S. 6，306，539中公開的，也可以使用用于制造纖維狀能量存儲電池隔板的干法過程。在纖維 12之間的空隙空間14提供隔板10的高達(dá)大約95%的孔隙度。本公開的實(shí)施例還可以可應(yīng)用于除了纖維狀隔板之外的其它類型的能量存儲電池隔板。例如，如在這里描述的孔隙度控制顆粒還可以被結(jié)合在柔性天然橡膠隔板例如根據(jù)美國專利號4，213，815制造的隔板中。在圖2和3中，在纖維狀隔板16中包括孔隙度控制顆粒20。孔隙度控制顆粒20 可以具有由圖2中的顆粒20A指示的第一尺寸和由圖3中的顆粒20B指示的第二尺寸。在圖2中，顆粒20A可以處于未膨脹或者收縮狀態(tài)中，由此使得隔板16能夠具有類似于圖1 中的隔板10的孔隙度的第一孔隙度。在圖3中，顆粒20B處于膨脹狀態(tài)中，由此降低隔板 16的孔隙度。相應(yīng)地，圖3中的隔板的孔隙度小于圖1和2中的隔板的孔隙度。在隔板16中包括的孔隙度控制顆?？梢赃x自響應(yīng)于溫度、pH、壓力、或者溫度、pH 和壓力中的兩個(gè)或者更多的組合而改變尺寸的顆粒。通過選擇隨著能量存儲電池的溫度增加而膨脹的孔隙度控制試劑，隔板16的孔隙度可以被降低，如通過圖2中的顆粒20A膨脹到圖3中的顆粒20B所示意的。隨著隔板16的孔隙度降低，隔板16的電阻增加，由此減小可以分層(layer)能量存儲電池的操作溫度的氧復(fù)合率。提供了以下非限制實(shí)例以進(jìn)一步示意示例性實(shí)施例的一個(gè)或者多個(gè)方面。實(shí)例1
在以下實(shí)例中，通過用手將具有密度300g/m2的3. 4克AGM薄板( 4. 5"X4. 5")撕裂成小片并且將撕裂的小片混合到800ml的冷水中達(dá)M個(gè)小時(shí)而制成AGM隔板。使用磁力攪拌來攪拌該混合物并且制作漿液。EXPANCEL微球(0. 051克，15wt. % (重量百分比))然后被添加到冷水和AGM小片并且混合物被攪拌 1個(gè)小時(shí)。所得到的混合物被澆注到 4"直徑真空過濾漏斗中以形成新的AGM薄板。AGM薄板被真空除水。所得到的4"圓形EXPANCEL 加載的AGM薄板然后被從過濾漏斗移除、被置放在紙巾片之間并且被吸干。然后允許每一張薄板在空氣中被干燥48個(gè)小時(shí)。還利用這種方法但是不添加EXPANCEL微球來制成對照樣本AGM薄板。陶瓷熱板被調(diào)節(jié)為近似的溫度。五片5"x5"x0. 25"安全玻璃的堆疊體(stack)然后被置放在熱板上并且被允許熱平衡。然后使用激光溫度槍確定在玻璃板堆疊體之下的熱板的溫度。當(dāng)溫度被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)時(shí)，AGM樣本被快速地放置在玻璃板的堆疊體之下并且數(shù)字計(jì)時(shí)器啟動。利用這種方法，全部AGM樣本被熱處理3分鐘。在3分鐘結(jié)束時(shí)，樣本被快速地移除。注意到，在133°C.和150°C.下，因?yàn)镋XPANCEL微球膨脹，所以樣本變得顯著更厚。在加熱隔板網(wǎng)狀物之前和之后確定每一個(gè)隔板網(wǎng)狀物的電阻。結(jié)果被示于表格 1中。在該表格中，“T-Mart”是EXPANCEL材料的腫脹開始時(shí)的溫度，并且“T-Max”是 EXPANCEL材料達(dá)到它的最大尺寸時(shí)的溫度。在該表格中，AGM EX-I包括在形成隔板之前被添加到玻璃纖維的、15wt.%的EXPANCEL 051 DU 40微球。AGM EX-2包括在形成隔板之前被添加到玻璃纖維的、15wt.%的EXPANCEL 920 DU 40微球。對照樣本不包含任何微球。表格權(quán)利要求
1.一種用于能量存儲電池的隔板，包括微孔網(wǎng)狀物，其中所述網(wǎng)狀物進(jìn)一步包括不可逆孔隙度控制試劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述微孔網(wǎng)狀物包括無紡纖維狀基質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述微孔網(wǎng)狀物包括柔性橡膠隔板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述微孔網(wǎng)狀物包括由聚合物和氧化硅的混合物制成的網(wǎng)狀物。
5.一種能量存儲電池，包括根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述能量存儲電池選自原能量存儲電池和二次能量存儲電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述孔隙度控制試劑選自由以下組成的組作為溫度的函數(shù)改變尺寸的試劑，作為PH的函數(shù)改變尺寸的試劑，作為壓力的函數(shù)改變尺寸的試劑，以及作為溫度、PH和/或壓力的函數(shù)改變尺寸的試劑，以提供隔板的總體孔隙度的改變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述不可逆孔隙度控制試劑包括流體填充微球。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的隔板，其中所述隔板包括按照重量計(jì)從大約5%到大約50%的流體填充微球。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述無紡纖維狀基質(zhì)包括玻璃墊纖維狀基質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述無紡纖維狀基質(zhì)包括聚烯烴纖維狀基質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述不可逆孔隙度控制試劑包括從由聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)材料和甲基丙烯腈_丙烯腈材料組成的組中取得的微球。
12.一種用于改變能量存儲電池的操作特性的方法，包括向隔板材料施加從大約5到大約50重量百分比的不可逆孔隙度控制試劑；由所述隔板材料和孔隙度控制試劑形成隔板；以及用所述隔板來操作所述能量存儲電池，其中所述孔隙度控制試劑選自由以下組成的組作為溫度的函數(shù)改變尺寸的試劑，作為PH的函數(shù)改變尺寸的試劑，作為壓力的函數(shù)改變尺寸的試劑，以及作為溫度、pH和/或壓力的函數(shù)改變尺寸的試劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述操作特性選自由所述隔板的電阻和所述隔板的總體孔隙度組成的組。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述能量存儲電池選自由原蓄電池和二次蓄電池組成的組。
全文摘要
一種由包括不可逆孔隙度控制試劑的微孔網(wǎng)狀物提供的、用于能量存儲電池的隔板，一種用于改變能量存儲電池的操作特性的方法。
文檔編號H01M2/16GK102177601SQ200980139958
公開日2011年9月7日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
發(fā)明者H. 布里爾邁爾 G., A. 溫伯利 R. 申請人:多微孔產(chǎn)品有限公司