用于電化學設備的集電流器的制作方法技術

本發明專利技術涉及集電流體的制造方法，通過這種方法制備的集電體，和含通過這種方法制備的集電體的電池。所述集電體由聚合物基材制備，，和在低于基材的軟化溫度下將基材電鍍。通過施加導電材料和/或通過在基材中包括粉末，可以使基材具有導電性，其中所述粉末是碳粉末，金屬粉末，或金屬合金粉末。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于電化學設備的集電流器的制作方法專利技術
本專利技術涉及用于電化學電池的集電流器。背景一般的鉛酸蓄電池的電極多年來都是由涂上膏的極板組成。這樣的極板，也被稱為“集電流體”，通常有一個支撐基底或基質，該基質是一個金屬板柵，通常為鉛合金。集電流體的板柵孔洞中填滿了電池活性物質，如氧化鉛和33％稀硫酸的混合物。使用的術語“電池活性物質”在實地中經常可與“膏”和“電活性膏”互換。施加電活性膏到板柵的工序，在日常簡單地被稱為“涂膏”。板柵，基質，和基底結構等在本文中交替使用的術語，指的是一個將電活性膏施加到集電體的支撐結構。最近有以非金屬基材代替鉛格板柵作為更適合的集電流體的嘗試。目的是找到一個堅固的，重量輕的，多孔性的基材，即使在惡劣的環境和操作條件下，并且通常是在范圍很廣的電池應用上，能夠維持其上的電池活性物質。比如，Kelley等人，美國專利號6,979,513(“Kelley”)，描述了使用泡沫碳來制成電池的集電流體，和Gyenge等人的美國專利號7,060,391(“Gyenge”)所教導的，將鉛-錫合金層沉積在泡沫碳上來制作用于鉛酸電池的集電流體。這些替代傳統鉛板柵的方法可以提高使用效率和電池的能量密度。然而，如同Kelley和Gyenge的集電流體有一個主要缺點，其使用的泡沫碳是脆弱的，缺乏結構的完整性，將使得涂膏和電池組裝等制造工藝復雜化。此外，雖然泡沫碳與以金屬為基材的集電流體相比是輕得多，Gyenge類型的泡沫碳集電流體一定會比傳統的鉛格板柵厚，以維持其結構的完整性和強度。因此，電池中可以并聯和串聯這種泡沫碳集電流體的數目將低于使用常規的鉛格板柵。這意味著，使用Gyenge類型集電流體的鉛酸電池比使用鉛格板柵的常規鉛酸電池有較低的功率密度。如Kelley和Gyenge等型態的泡沫碳集電流體的另外一個缺點是碳化的基質。這里所提到的“碳化”是指一個處理程序或狀態，在一個合適的環境中-通常是在非氧化性的環境下-分別的將碳質材料暴露在足夠高的溫度，該材料結構完全轉換成碳材料的結果。(用在這里的“非碳化”術語是指還未經過暴露碳化的材料。)比如，Gyenge和Kelley的碳化板柵是在壓力下，以高溫，并且在惰性氣體的環境中以很長的處理時間制成。制造出的板柵除了強度相對較弱，工藝步驟和制造要求顯著地增加了制造成本。制作一個重量輕，非碳化的板柵對電池行業來說將是十分有利。開發簡單，重量輕，同時可用作負極和正極的集電流體，對于電池行業來說也將是有利的。美國專利申請29269658A1揭露一個作為”負極集電流體”的板柵結構。類似的，Soria等揭露一個作為“負極集電流體”的輕量金屬化聚合物網狀結構(″Lead-AcidBatterieswithPolymerStructuredElectrodesforElectricVehicleApplications″，1999，JournalofPowerSources.78：220-230)。這兩個參考文獻都披露大大減少負極的重量，然而，因為它們都還使用傳統的正極，電池的整體容量和循環壽命仍然是受限于傳統的正極電極板。另一方面，Martha等披露用于“正極和負極”的集電流體。(″ALow-CostLead-AcidBatterywithHighSpecificEnergy”2006。JournalofChemicalScience118(1)：93-98)。這種基于ABS橡膠板柵的集電流體，是沉重的并具有復雜的結構。這增加了制造成本。在本領域的技術人員熟悉其他類型集電流體的缺陷。例如，目前所用的鋰離子電池中的金屬箔的集電流體具有至少有兩個問題：1)低的正極材料裝載量限制電池的容量，以及2)由于正極材料的不良導電性導致熱失控的高風險。當一個微小雜質(如銅或鎳)和正極材料內部混合，從而導致大量的電流短路并在正極和負極板之間發展成相當大的電流，熱失控就可能會出現。Harada等人在美國專利6020089中描述的三維聚氨酯聚合物基材適用于鎳金屬氫化物電池的電極。Harada的方法要求的加工溫度高，像是1100℃至1300℃，在氫氣的氣氛環境處理較長的時間，例如37分鐘。與此相反，美國專利4975515中揭露，“[a]聚氨酯眾所皆知的缺點是，即使具有那些令人滿意的特性，在升高的溫度下不能保留足夠的硬度。以致于它們在應用中可運作經受的溫度約為175℃。“因此，Harada等人的聚氨酯長時間暴露在過高的溫度，很有可能軟化，并自其原始狀態扭曲。因此Harada電極的強度的全部或大部分是由燒結的金屬包覆層獲得，而不是來自高溫處理下軟化的聚氨酯基材。最后，美國專利申請US2004/0126663A1中揭露一種具有聚合物支持膜，作為聚合物電解質薄膜電化學元件的集電流體。這樣的集電流體被設計用于鋰離子型的可充電電池中。和常規聚合物電解質薄膜電化學組件中使用的集電流體相比，此集電流體被設計成具有較輕的重量和體積。然而，這樣的集電流體的電池活性物質的容量低，因此，他們沒有解決電池活性物質裝填量低，這個在目前鋰離子電池技術中常見的問題。
技術實現思路
本專利技術提供了一種非軟化的，三維集電流體的制作方法，它改善了這一領域的現有技術。此集電流體具有開孔的，泡沫狀結構的聚合物基材，可作為正電極和負電極。非軟化的意思是，聚合物基材沒有接觸超過會促使聚合物變形的溫度。術語“軟化溫度”是指基材在該溫度下開始發生熱變形的溫度。對于交聯聚氨酯來說，軟化溫度約為175℃。如上所述，目前在本領域在制作過程中是使用高溫將基材熔化來產生集電流體。而本專利技術的方法是在低于軟化的溫度下，將網狀聚合物涂覆和電鍍來制作集電流體。這種區別是值得注意的，因為本專利技術的部分是基于我令人驚訝和偶然的發現，如果集電流體是由未軟化的聚合物，包括未軟化的聚氨酯泡沫，它們呈現了增強的活性物質的使用率。因此，產生一個等效的電池容量所需要的電池活性物質得以減少。這個發現適用于當前用于正，負電極的集電流體。結果是，與之前的技術相比，電池的最終重量得以非常顯著的降低，并且增加了電池整體的能量密度。在本公開之前，那些在本領域的電池設計/制造技術已經遺忘了在制造過程中，使用底于基材原材料的軟化溫度的優點。塑料噴射成型或塑料纖維織造的技術可以產生具有三維高比表面積，重量輕，低成本的聚合物基材。所述聚合物基材可以通過化學鍍上金屬或金屬合金的方式來賦予導電性。其他的方式，可以將聚合物基材噴灑或浸漬在導電涂料中，例如說，碳，鎳，錫，或銀。我還發現，這種輕質三維聚合物基材可以經由加入碳粉末，金屬粉末或金屬合金粉末來賦予導電性，而這同樣適用在低溫下生產集電流體。最后，這個具有導電性的三維聚合物可以經由電鍍將各種不同的鍍層沉積于其上。最重要的是，在此揭露的工序提供的步驟，是低于該聚合物的軟化溫度，從而保持該聚合物的強度。這樣具有導電性和經過電鍍的三維聚合物基材，可以作為像是電池和燃料電池等電化學裝置的負極和正極中的集電流體。本專利技術以三維聚合物為基礎的電極的優點是很多的，在關于功率密度方面的優勢特別明顯，例如說泡沫碳電極。對于鉛基電池來說，本專利技術的結果減輕了電池的重量，提高了結構的完整性，并增加能量和功率密度。鑒于現有的泡沫碳電極的性能落后于傳統的鉛電極，本專利技術所述的三本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.04.21 US 61/326,519;2011.03.11 US 13/046,4841.一種制造集電流體的工序，所述工序包括以下步驟：(a)提供非碳化的網狀聚氨酯泡沫；(b)通過浸漬由對甲苯磺酸和糠醇組成的混合物處理所述網狀聚氨酯泡沫；(c)干燥經處理的所述網狀聚氨酯泡沫；(d)壓縮經處理的所述網狀聚氨酯泡沫；(e)加熱所述經處理的和經壓縮的網狀聚氨酯泡沫，以使得所述經處理的和經壓縮的網狀聚氨酯泡沫交聯并形成呋喃塑料基材，其中所述呋喃塑料基材具有軟化溫度；(f)賦予所述呋喃塑料基材導電性，其中所述賦予過程在不超過所述軟化溫度的溫度下進行；(g)電鍍所述呋喃塑料基材，其中所述電鍍是在不超過所述軟化溫度的溫度下進行；和(h)將電池活性材料涂膏在至少一部分所述呋喃塑料基材上；其中所述集電流體在低于所述呋喃塑料基材的所述軟化溫度的溫度下制備。2.根據權利要求1所述的工序，其中步驟(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：喬伊·丘恩格·延·瓊格，
申請(專利權)人：喬伊·丘恩格·延·瓊格，
類型：
國別省市：