雙極電池總成的制作方法

雙極電池總成的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種制品，包括：a)一個或多個電池極板堆疊，其包括一個或多個雙極板；b)位于每一極板之間的分隔器和液體電解質；還包括下列一個或多個特征：1)c)一個或多個電池極板堆疊，所述電池極板堆疊具有多個通道，所述通道橫切地穿過極板的具有陰極沉積物和/或陽極沉積物的部分；和d)i)一個或多個圍繞所述通道周緣的密封，其防止液體電解質漏入至所述通道中，和/或位于所述通道的一個或多個中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與單極板中的用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗電化學電池單元裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產生的壓力；2)c)包括熱塑性聚合物的薄膜，其設置為圍繞極板堆疊邊緣的整個周緣；3)其中分隔器為薄片形式，其周緣粘附至一框架；以及4)c)一集成的閥門和與該閥門連通的集成的通道。
【專利說明】雙極電池總成
[0001]本申請要求于2011年10月24日提交的，美國臨時申請號61/550，657的權益，其內容通過引用合并至本文中以用于所有目的。
【技術領域】
[0002]本發明總體上涉及一種雙極電池總成、制備該總成的方法以及使用該總成的方法。
【背景技術】
[0003]雙極性電池是本領域已知的，參見發明人Tatematsu的美國專利US2009/0042099，其通過弓I用整體合并入本文。雙極性電池優于其他電池設計，例如可擴展性、相對較高的能量密度、高功率密度和設計的靈活性。雙極性電池包括多個雙極板和兩個單極端板。雙極板包括雙面薄片形式的襯底，其在一面上具有陰極材料，通常被稱為正極活性物質(PAM)，而在相對的面上為陽極材料，通常被稱為負極活性物質(NAM)。在襯底和陽極材料或陰極材料之間可設置有一導電片。雙極板設置成堆疊，使得一個極板的陽極材料朝向下一個極板的陰極材料。在大多數總成中，相鄰的極板之間設有一電池分隔器，其允許電解質從陰極材料流至陽極材料。電解質設置在極板之間的空間，其為允許電子和離子在陽極和陰極材料之間流動的材料。帶有分隔器的雙極板的相鄰表面與設置在極板之間的電解質形成一電化學電池，其中電子和離子在陽極材料和陰極材料之間交換。該電池的結構被布置成使得由雙極板所形成的每個單元是密封的，以防止電解質流出所述單元。在許多設計中，這是通過延伸襯底超出在所有面上陰極材料和陽極材料沉積的部分來實現的。用于密封每個電化學電池單元的結構，與極板的在其襯底上不具有陽極或陰極材料的部分接觸。此外，電池分隔器可延伸超出襯底的設置有陰極材料和陽極材料的部分，以幫助密封電池單元。每個單元都有一個連接該單元的電流導體，以從該單元傳輸電子至一個或多個端子，電子從該端子傳輸至負載，該負載為本質上以電的形式利用該電子的另一系統。在一些實施例中，電池單元中的電流導體是導電薄片，其與附加的電流導體相接觸，該附加的電流導體將電子傳輸至電池的端子上。在堆疊的每一端部為一單極板，所述單極板的一個面上設置有陽極材料或陰極材料。選擇單極板表面的材料，使其與堆疊端部的雙極板的相對表面形成電池單元。特別地，如果面向單極板的雙極板的表面上具有陰極材料，則單極板的表面具有陽極材料，反之亦然。在常規設計中，電池極板的堆疊設置在一外殼中，該外殼圍繞極板的堆疊密封，并具有一個或多個位于電池外的正極端子和負極端子對，每一對連接至電流導體，該電流導體進一步連接至一個或多個如本文描述的電池單元。
[0004]盡管雙極電池總成具有優點，但雙極電池總成的缺陷阻礙了其商業化。雙極電池在操作期間，由于陽極和陰極材料的膨脹和收縮產生顯著的內壓，在電化過程期間發生氣體析出和產生熱。因為雙極電池可擴展，電池單元中可能產生更高的壓力。另外，析出的熱量會加劇所產生的壓力，并可能導致失控的反應，其會產生損壞電池結構的材料的熱量水平和導致電池失效。壓力會引起圍繞電化學電池單元的密封破裂并導致電池單元和電池失效。由ShafferII等人共同擁有的標題為雙極電池總成的美國專利申請US2010/0183920，其全文通過引用并入本文，其通過改進的邊緣密封總成和雙極板設計，公開了這些問題的
解決方案。
[0005]在雙極電池可商業化，以及該技術的所有潛力得以實現之前，仍有問題需要解決。特別是，需要這樣的雙極型電池設計，其以改進的方式處理在操作中產生的熱量和壓力。當前的和未來的電池用戶通常僅有有限的可用于電池的封裝空間，而可適配于可用封裝空間的電池是需要的。大多數使用電池的系統還需要較輕重量的電池，而展現為更輕重量的雙極電池是所期望的。需要減少部件和減小復雜性的雙極電池設計，比如用于電池單元和隔離的外殼的密封的特殊部件。需要用于電池總成的更簡單的、使用已知制造技術的以及能實現上述目標的方法。需要尺寸定制為適合用戶需要的電池。

【發明內容】

[0006]本發明滿足上述的一個或多個需求，并為一制品，包括:a) —個或多個電池極板堆疊，所述電池極板堆疊包括一個或多個雙極板，其包括襯底，所述襯底在其一個表面上具有一陽極而在其相反的表面上具有一陰極，所述電池極板堆疊還包括在一個表面上沉積有陰極的單極板和在一個表面上沉積有陽極的單極板，其中極板設置為，使極板的沉積有陰極的表面，面向另一極板的沉積有陽極的表面，以及所述單極板位于每一電池極板堆疊的兩端山)位于每一極板之間的分隔器和液體電解質；其進一步包括以下特征中的一個或多個:l)c) 一個或多個電池極板堆疊，所述電池極板堆疊具有多個通道，所述通道橫切地穿過極板的沉積有陰極和/或陽極的部分；以及d) i) 一個或多個圍繞所述通道周緣的密封，其防止液體電解質漏入至所述通道中，以及位于所述通道的一個或多個中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電化學電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產生的壓力，或ii)位于一個或多個通道中的支柱，其每一端部具有覆蓋通道和單極板外部的密封表面的部分，所述部分與用于橫切通道的孔相鄰，以及施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電化學電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產生的壓力，其中該支柱由任何能夠耐受曝露于電解質的材料制造，以及其中該支柱防止電解質進入至通道中；2)c)包括熱塑性聚合物的薄膜，其設置為圍繞極板堆疊邊緣的整個周緣，以形成圍繞極板邊緣的周緣的密封，該密封防止電解質流至極板堆疊外；3)分隔器為多個薄片的形式，該薄片使一框架粘附至其周緣，其中該框架適配為與電池極板的襯底的周緣相鄰；以及4)c) 一集成的通道，其與排氣孔連通，該排氣孔與電化學電池單元連通。在一些實施例中，該薄膜通過圍繞極板邊緣熱熔接一片熱塑性物質來制成，優選地通過振動或熱熔接。在一些實施例中，該薄膜通過圍繞極板模制而成，優選地通過注塑成型來制成。
[0007]在一些實施例中，本發明為一制品，包括:a) —個或多個電池極板堆疊，其包括一個或多個雙極板，該雙極板包括襯底，所述襯底為薄片的形式，其一個表面上具有一陽極而在其相反的表面上具有一陰極，所述電池極板還包括在一個表面上沉積有陰極的單極板和在一個表面上沉積有陽極的單極板，其中該雙極板設置為，使其沉積有陰極的表面，面向另一極板的沉積有陽極的表面，如此其沉積有陽極的表面，面向另一極板的沉積有陰極的表面，以及所述單極板位于每一電池極板堆疊的兩端山)位于每一極板之間的可選的分隔器，其對一液體電解質具有浸透性，其能夠穿過該分隔器傳送離子以及防止陽極和陰極之間的電氣短路；c)該一個或多個電池極板堆疊具有多個通道，所述通道橫切地穿過極板的沉積有陰極和/或陽極的部分；d)i) —個或多個圍繞所述通道周緣的密封，其防止液體漏入至所述通道中，以及位于所述通道的一個或多個中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與單極板中的用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產生的壓力，或ii)位于所述通道的一個或多個中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與單極板中的用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產生的壓力，其中該支柱由任何能夠耐受曝露于電解質的材料制造，以及其中該支柱防止電解質進入至通道中；e)液體電解質，其設置在每一對電池極板之間；以及，其中極板邊緣被密封，以防止電解質流至極板堆疊外。該制品可進一步包括一個或多個圍繞橫切通道周緣的密封，以及該密封包括設置在該通道內表面的薄膜。該密封可由位于極板中的沿著橫切通道的孔之間的軸襯形成。該制品可優選地包括圍繞橫切通道周緣的密封，以及該支柱包括任何材料，其具有足夠的結構完整性以將覆疊部分就地固定，從而施加壓力至單極板的密封表面。該密封面為極板的一部分，其與支柱的覆疊部分接觸。根據本發明的一個方面，該雙極板包括聚合物襯底，其具有多個穿過襯底的開口，每一開口與襯底的兩面連通，其中開口中的一個或多個填充有導電材料，其與襯底的兩面均有接觸。
[0008]根據本發明的另一方面，包括一制品，其包括:a) —個或多個電池極板堆疊，其包括一個或多個雙極板，該雙極板包括襯底，所述襯底為薄片的形式，其一個表面上具有一陽極而在其相反的表面上具有一陰極，所述電池極板還包括在一個表面上沉積有陰極的單極板和在一個表面上沉積有陽極的單極板，其中該雙極板設置為，使其沉積有陰極的表面，面向另一極板的沉積有陽極的表面，如此其沉積有陽極的表面，面向另一極板的沉積有陰極的表面，以及所述單極板位于每一電池極板堆疊的兩端；b)位于每一極板之間的一分隔器，其對一液體電解質具有浸透性，其能夠穿過該分隔器傳送離子以及防止陽極和陰極之間的電氣短路；c)包括熱塑性聚合物的薄膜，其設置為圍繞極板堆疊邊緣的整個周緣，以形成圍繞極板邊緣的周緣的密封，該密封防止電解質流至極板堆疊外；和d)液體電解質，其設置在每一對電池極板之間。在一個優選的實施例中，該薄膜熔融接合至所有極板的邊緣，以形成圍繞該極板周緣的密封。根據本發明的另一方面，該薄膜的前緣和后緣彼此熔融接合，其中該薄膜形成圍繞該一個或多個極板堆疊的周緣的密封，如此電解質不從堆疊內部流至該薄膜外部。在另一實施例中，該薄膜通過圍繞極板模制而成，優選地通過注塑成型來制成。
[0009]在一些實施例中，本發明為一制品，其包括:薄片形式的分隔器，其周緣粘附至一框架，其中該框架適配為與電池極板的襯底薄片的周緣相鄰。在一些實施例中，本發明為一制品，包括:a) —個或多個電池極板堆疊，其包括一個或多個雙極板，該雙極板包括襯底，所述襯底為薄片的形式，其一個表面上具有一陽極而在其相反的表面上具有一陰極，所述電池極板還包括在一個表面上沉積有陰極的單極板和在一個表面上沉積有陽極的單極板，其中該雙極板設置為，使其沉積有陰極的表面，面向另一極板的沉積有陽極的表面，以及所述單極板位于每一電池極板堆疊的兩端jPb)薄片形式的一個或多個分隔器，其周緣粘附至一框架，其中該框架適配為與電池極板的襯底薄片的周緣相鄰。根據本發明的制品可進一步包括一個或多個閥門，比如一止回閥，其適配為，當密封的雙極板堆疊中的壓力達到一壓力水平時，釋放該壓力，該壓力水平接近但低于該制品可能出現損壞時的壓力。
[0010]根據本發明的制品用作電池，其用于電的存儲以及產生用于在多種環境下使用的電。根據本發明的制品設計為處理在工作期間產生的壓力和熱量，而不會使該制品的外表面出現不適當的損壞，并因此液體電解質包含在該制品中。根據本發明的制品可使用傳統的材料和工藝來組裝。根據本發明的制品能夠在不需要復雜的密封結構下，獲得上述優點。根據本發明的制品可適配不同形狀的空間，以適應用戶的封裝空間。根據本發明的制品的設計，允許放大或縮小尺寸，以向用戶傳遞各種需要的能量。根據本發明的制品的組裝，比在該領域已知的制品的組裝的效率更高。根據本發明的總成在其結構的端板上能承受高至IOpsi的壓力，優選地為高至50psi的壓力，以及最優選地高至IOOpsi的壓力，而不損壞該端板。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1所示為根據本發明的一總成的側視圖；
[0012]圖2所示為根據本發明的一總成的側視圖，其中該總成在一橫切通道中的螺釘上
方設有一端板；
[0013]圖3所示為根據本發明的一總成的側視圖，其中圍繞雙極板的堆疊設置有一薄膜；
[0014]圖4所示為根據本發明的總成，其具有集合管和止回閥；
[0015]圖5所示為根據本發明的分隔器板；
[0016]圖6所示為根據本發明的總成的另一實施例，其中支柱為注塑成型至橫切通道中；
[0017]圖7和圖8所示為電池極板堆疊和分隔器板；
[0018]圖9所示為根據本發明的總成的另一實施例；
[0019]圖10示出圖9的總成的剖面圖，其沿平面A-A穿過一對橫切通道；
[0020]圖11示出堆疊端部的沿B-B的顯示排氣孔的部分剖面圖；
[0021]圖12示出圖9的總成的剖面圖，其沿平面C-C穿過排氣孔至電化學電池單元；
[0022]圖13示出根據本發明的總成的另一實施例，其中該總成的端板中具有一閥門；
[0023]圖14示出圖13的總成的剖面圖，其沿平面E-E穿過與排氣孔連通的集成的通道至電化學電池單元；
[0024]圖15示出圖13的總成的剖面圖，其沿平面D-D穿過與排氣孔連通的集成的通道至電化學電池單元。
【具體實施方式】
[0025]本文所提供的說明和圖示意在使本領域技術人員了解本發明、其原理以及其實際應用。本領域中的技術人員可以根據最適合一具體使用的要求，以本發明的多種形式進行適配和應用。相應地，本發明提出的具體實施例并非意在窮舉或限制本發明。本發明的范圍應當參照所附的權利要求來確定，以及該權利要求主題所賦予的等同物的全部范圍。所有文章和參考文獻的公開，包括專利申請和出版物，通過引用并入用于所有目的。
[0026]本發明涉及一種用作電池的制品，其包括一個或多個由多個雙極板組成的堆疊，還包括兩個單極板，其位于雙極板堆疊的每一端部，在雙極板間設置有液體電解質；其中所述制品還包括下列以下特征中的一個或多個:l)c) 一個或多個電池極板堆疊，所述電池極板堆疊具有多個通道，所述通道橫切地穿過極板的沉積有陰極和/或陽極的部分；以及d)i) 一個或多個圍繞所述通道周緣的密封，其防止液體電解質漏入至所述通道中，以及位于所述通道的一個或多個中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電化學電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產生的壓力，或ii)位于一個或多個通道中的支柱，其每一端具有一部分，該部分覆蓋通道，并覆蓋位于單極板外的與橫切通道的孔相鄰的密封表面，且該部分在單極板的密封表面上施加壓力，其中該壓力足夠抵抗在電化學電池的裝配與操作的期間由電池極板堆疊產生的壓力，其中該支柱能夠耐暴露于電解質的材料制造且該支柱防止電解質進入該通道；2)c)包括熱塑性聚合物的薄膜，其設置為圍繞極板堆疊邊緣的整個周緣，以形成圍繞極板邊緣的周緣的密封，該密封防止電解質流至極板堆疊外；3)分隔器為多個薄片的形式，該分隔器薄片使一框架粘附至其周緣，其中該框架適配為與電池極板的襯底薄片的周緣相鄰；以及4)c) 一集成的閥門和與該閥門連通的集成的通道。在一些實施例中，該薄膜通過圍繞極板邊緣熱熔接一片熱塑性物質來制成。在一些實施例中，該薄膜通過圍繞極板注塑成型來制成。該橫切通道可進一步包括防止液體電解質進入該通道的密封，或選用也能密封該通道的支柱，以防止電解質進入通道。本發明涉及一種電池制品，其包含多個雙極板，該雙極板之間設置有液體電解質，以及包括一薄膜，其包含圍繞極板堆疊邊緣的整個周緣的熱塑性聚合物，以形成圍繞極板堆疊周緣的密封，其防止電解質流至極板堆疊外。該薄膜可使用傳統技術，比如熔接一薄膜至極板堆疊邊緣，或圍繞極板堆疊模制該薄膜。本發明包含如本文所述的方法以制備本文所公開的制品。
[0027]本發明的制品和方法可進一步包括下面列出的、以任何組合的、包括本申請中公開的優選和可替代的實施例的一個或多個特征:單極板和雙極板的襯底包含熱塑性聚合物；包括熱塑性聚合物的薄膜，其設置為圍繞極板堆疊的整個周緣，以形成圍繞極板邊緣的密封，該密封防止電解質流至極板堆疊外；該薄膜熔融接合(bonded)至所有極板的邊緣，以形成圍繞極板周緣的密封；該薄膜圍繞極板堆疊模制成型；該薄膜圍繞極板堆疊注塑成型；該薄膜的前緣和后緣互相熔融接合，其中該薄膜形成圍繞一個或多個極板堆疊的周緣的密封，如此電解質不能從堆疊內通行至薄膜外；該制品包括圍繞橫切通道周緣的密封以及該密封包含一個或多個薄膜；該制品包括圍繞橫切通道周緣的密封，以及該密封由軸襯形成，該軸襯位于極板中的沿著該橫切通道的孔之間；該制品包括圍繞橫切通道周緣的密封，以及該支柱包括任何材料，其具有足夠的結構完整性以將覆疊部分固定，從而施加壓力至單極板的密封表面；該制品包括圍繞橫切通道周緣的密封，以及該支柱包括任何金屬，其具有足夠的結構完整性以將覆疊部分固定，從而施加壓力至單極板的密封表面；該制品不包括圍繞橫切通道周緣的密封，以及該支柱包括一材料，當其暴露于電解質時保持結構完整性，其為非導電的且密封橫切通道以防止電解質進入該通道；該支柱包括陶瓷或聚合物，其表現有高于由極板堆疊制成的電化學電池的工作溫度的玻璃相變或熔化溫度；該支柱包括圍繞該支柱外的螺紋，該通道設有螺紋以接納該支柱，以及該支柱與該通道的螺紋配合；該覆疊部分由支柱的端部上的螺帽和/或螺栓頭形成；該包括覆疊部分的支柱包括由模制形成的一個或多個熱塑性聚合物，比如通過注塑成型；軸襯與每個電池極板中的每個孔以這樣的方式相鄰，以使穿過堆疊的每一橫切通道密封；該雙極板包括聚合物襯底，其具有多個穿過襯底的開口，如此每一開口與襯底的兩面連通，其中開口中的一個或多個填充有導電材料，其與襯底的兩面均有接觸；該制品進一步包括一止回閥，其適配為，當密封的雙極板堆疊中的壓力達到一預定壓力水平時，釋放該壓力，該預定壓力水平低于制品可能出現損壞時的壓力；該支柱為注塑成型至該橫切通道中；該襯底包括一熱固性聚合物，其具有圍繞地聯接至襯底周緣的熱塑性聚合物帶；其中該一個或多個電池極板堆疊具有e)一個或多個通道，其橫切穿過極板的沉積有陰極和/或陽極漿糊的部分；以及f)i)圍繞所述通道周緣的密封，其防止液體電解質漏入至所述通道中，以及位于每一通道中的支柱，每一支柱的每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，其與橫切地穿過極板的孔相鄰，該覆蓋部分還施加壓力至單極板的外表面上，其中該壓力足以抵抗在電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產生的壓力，或ii)位于每一通道中的支柱，每一支柱的每一端具有一部分，該部分覆蓋該通道，并在單極板的密封表面上施加壓力，該密封表面與橫切地穿過極板的孔相鄰，其中該壓力足夠抵抗在電池單元的裝配與操作的期間由電池極板堆疊產生的壓力，其中該支柱由能夠耐暴露于電解質的材料制造且該支柱防止電解質進入該通道；圍繞該通道周緣的密封由注塑成型形成；該分隔器圍繞其周緣具有一凸起的表面，其適配為與電池極板襯底相鄰；該分隔器具有穿過其的一個或多個孔，其中該孔包含位于其中的襯墊，其中該襯墊適配為與電池極板孔中的襯墊配對，以形成一通道，其穿過由分隔器板和電池極板組成的堆疊；分隔器框架和襯墊為模制成型至該分隔器；分隔器框架和襯墊是注塑成型；其中該分隔器框架和襯墊是注塑成型為一個單件；該電池極板襯底圍繞其周緣具有凸起的表面，其適配為與粘附至分隔器的框架相鄰；其中襯底的凸起表面和圍繞分隔器的框架設置為彼此相鄰，如此其周緣密封，阻止液體進入或流出該制品；其中該電池極板和分隔器具有穿過其的一個或多個孔，其中該孔對齊以形成一個或多個通道，其穿過由電池極板和分隔器組成的堆疊；其中電池極板和分隔器中的孔具有設置在其中的襯墊，該襯墊形成一個或多個密封的通道，其穿過由電池極板和分隔器組成的堆疊；電池極板和分隔器中的襯墊由模制成型；其中電池極板和分隔器中的襯墊為注塑成型；填充通道或排氣通道集成至電池和分隔器板中；以及閥門集成至填充通道或排氣通道內。
[0028]本發明的的制品包括一個或多個雙極的電極板，優選地為多個雙極板。本文所使用的“多個”意指有一個以上的極板。一雙極板包括成薄片的襯底，其具有兩個相對的面。一陰極和一陽極位于相對的面上。在本發明的一些實施例中，雙極板以堆疊設置在該制品中，其中一個雙極板的陰極面對另一雙極板的陽極或具有陽極的單極板，而每一雙極板的陽極面對一雙極板或單極板的陰極。在該制品中，相鄰的陽極和陰極之間形成有一空間，其中該空間包含電解質，其用作與陽極和陰極成對以形成一電化學電池單元。該制品構造為封閉的單元，其從外界密封以防止該單元的漏泄和短路。所存在的極板數量可選擇為提供電池的所需電壓。該雙極電池設計提供產生電壓的靈活性。該雙極板能具有任何所需的截面形狀，且該截面形狀能設計為適配使用環境中可用的封裝空間。橫截面形狀指的是極板的從其板面方向所透視的形狀。靈活的橫截面形狀和尺寸使本發明的制品可制造為適應利用該電池的系統的電壓和尺寸需要。單極板設置在極板堆疊的端部以便形成極板堆疊的端部單元。該單極板可以由雙極板中使用的相同的襯底和陽極和陰極制備。當使用另一外殼時，該單極板的與陽極或陰極相反的一側可為裸露的襯底，或其可包含一覆蓋件用于保護該堆疊。在一些實施例中，該單極板可具有一個或多個端子，其從該端部單元穿過極板至外部。該端子匹配單極板的陽極或陰極的極性。該端子用作傳輸電化學電池中產生的電子至以電的形式利用該產生的電子的系統。
[0029]該襯底用作提供陰極和/或陽極的結構支撐；其作為一單元分區以防止電解質在相鄰的單元之間流動；其與其它電池組件配合形成圍繞雙極板邊緣的電解質緊致密封，該密封可以在電池外表面上；且在一些實施例中，其將電子從一個表面傳輸至另一個表面。取決于電池化學的功能，該襯底可由各種不同的材料制成。該襯底可由構造上充分穩定的材料制成，以提供由所需的雙極的電極板組成的骨架，其能承受超過電池構造中使用的任何導電材料熔點的溫度，以及在與電解質(例如硫酸溶液)接觸期間具有高化學穩定性，由此該襯底在與一電解質接觸時不降解。該襯底可由適當的材料制成和/或配置為使電從該襯底的一個表面傳輸至襯底相反表面的方式。該襯底可由導電材料制成，例如，金屬材料，或可由非導電的材料制成。示例性的非導電的材料包括聚合物；比如熱固性聚合物、彈性聚合物或熱塑性聚合物或其任何組合。在一些實施例中，該非導電的襯底中或其上可構造有導電特征。可采用的示例的聚合物材料包括聚酰胺、多元酯、聚本乙烯、聚乙烯(包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、高密度聚乙烯和低密度聚乙烯)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯、聚氯乙烯，生物基的塑膠/生物高聚物(例如，聚乳酸)、硅膠、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，或者其任何組合，諸如PC/ABS (聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的混合)。可使用合成襯底，其合成物可以包含加強材料，比如在該領域通常已知的纖維或填料；兩種不同的聚合物材料，比如熱固性核心和熱塑性的外殼，或圍繞熱固性聚合物周緣的熱塑性邊緣，或設置在非導電的聚合物中的導電材料。在一優選的實施例中，該襯底在極板邊緣包括或具有可接合的熱塑性材料，優選地為可熔融接合的熱塑性材料。在一個實施例中該襯底可以具有圍繞周緣的凸起邊緣，其有助于雙極板的堆疊和電化學電池單元的構成。作為上下文使用的凸起邊緣意指在極板的兩個相反表面中的至少一個上的凸起邊緣。該凸起邊緣可包括一熱塑性的邊緣部分，其制成為圍繞另一襯底材料。該凸起邊緣可以用作本文所述的分隔器板。該襯底或該襯底的周緣優選地包含非導電的材料，優選地包含熱塑性材料。圍繞或集成至分隔器上的框優選地包含非導電的材料，優選地包含熱塑性材料。使用非導電的材料增強電池堆疊外部的密封。
[0030]在一些實施例中，該襯底包括一大體非導電的襯底(例如電介質襯底)，其包括形成于其中的一個或多個開口。該開口可以在襯底的制造(例如模制或成形操作)期間由機械加工形成(例如碾磨)，或制造形成。在該襯底中形成的開口的尺寸和頻數可以影響電池的電阻率。該開口可以制成為具有至少約0.2mm的直徑。該開口可以制成為具有約5mm或更小的直徑。該開口可以制成為具有從約1.4_至約1.8mm的直徑。該開口可以制成為具有每一平方厘米至少約0.02個開口的密度。該開口可以制成為具有每一平方厘米小于約4個開口的密度。該開口可以制成為具有每一平方厘米從約2.0個開口至約2.8個開口的密度。該開口可以填充導電材料，例如包含金屬的材料。該導電材料可以為在一溫度下經歷相變的材料，該溫度低于襯底的熱降解溫度，由此在電池總成的低于該相變溫度的工作溫度下，該電介質襯底具有通過該襯底第一表面和第二表面之間的材料混合物的導電路徑。更進一步，在高于相變溫度的一溫度下，該導電材料混合物經歷使通過該導電路徑的導電性失效的相變。例如，該導電材料可以為或包括一釬焊材料，比如，包括鉛、錫、鎳、鋅、鋰、銻、銅、鉍、銦或銀中的至少一個或其中任意兩個或更多的混合。該導電材料基本上可以為無任何的鉛(即其包含最多為微量的鉛)或其可包括功能上運作所需量的鉛。該材料可包括鉛和錫的混合物。例如，其可包括占較大部分的錫和占較小部分的鉛(例如約55至約65重量份的錫和約35至約45重量份的鉛)。該材料可展現低于約240° C、230° C、220° C、210° C或甚至低于約200° C(例如在約180° C至約190° C的范圍內)的熔點。該材料可包括一共晶混合物。使用焊料作為填充開口的導電材料的一個特征是，該焊料具有一限定的可定制的熔點，這取決于所使用的焊料的種類，以在電池接續運行可能不安全的溫度處熔融。一旦焊料熔化，包含熔融焊料的襯底開口不再導電，并且在電極板內導致開路。開路可作用為極大地增加雙極電池內的電阻，從而停止進一步的電流和關斷電池內的不安全的反應。相應地，可根據是否需要包括這樣的電池內部停閉機制，以及如果是的話則需要在什么溫度下生效這樣的內部停閉，來改變所選擇的用于填充開口的導電材料類型。襯底將被配置為，在工作條件超過一預定條件的情況下，該襯底將起作用，經由中斷穿過襯底的導電性來使電池失效。例如，在電介質襯底中的填充孔的導電材料將經歷一相變(例如，其將熔融)，由此整個襯底的導電性被中斷。中斷的程度可以為部分地或甚至完全地使穿過該襯底的傳導電流的功能失效。
[0031]在雙極板中的一個表面上和一些單極板上設置有一個或多個陰極。該陰極可為能夠在一電池中用作陰極的任何材料，以及為可在電池中使用的任何形式。陰極還稱為正極活性材料。正極活性材料可包括鋰、鉛、碳的復合氧化物、硫酸鹽化合物或磷酸鹽化合物，或一般用在鋰離子、鎳氫或鉛酸二次電池的過渡金屬。該復合氧化物的實例包括鋰/鈷系復合氧化物，如鈷酸鋰，鋰/鎳系復合氧化物如鎳酸鋰，鋰/錳復合氧化物如尖晶石型鋰錳氧化物和鋰/鐵系復合材料，例如鐵酸鋰。過渡金屬和鋰的示范性磷酸鹽和硫化合物包括磷酸鐵鋰、五氧化二釩、二氧化錳、二硫化鈦、二硫化鑰、三氧化鑰、二氧化鉛、氧化銀、羥基氧化鎳等等。陰極材料可以是允許該陰極材料在一電化學電池中作用為陰極的任何形式。示例性的形式包括成形部件、漿糊、預制薄片或薄膜。對于鉛酸電池，優選的陰極材料是二氧化鉛(Pb02)。在雙極板中的相反表面上和另一單極板上設置有陽極。陽極還稱為負極活性物質。任何陽極和陽極材料可以用于本發明的總成。陽極材料可包括在二次電池中使用的任何材料，該二次電池包括鉛酸、鎳氫和鋰離子電池。示例性的用于構成陽極的材料包括鉛、碳或鋰的復合氧化物和過渡金屬(如氧化鈦或鈦的復合氧化物和鋰)，等等。用于鉛酸電池的優選的陽極材料的是鉛絨。陰極材料可以是允許該陰極材料在一電化學電池中作用為陰極的任何形式。示例性的形式包括成形部件、漿糊、預制薄片或薄膜。漿糊成分可包含多種特別地用于負極活性物質的有用的添加劑，包括用于加固的絮凝物或玻璃纖維、用于粘貼穩定性的各種利加諾有機(ligano-organic)化合物，以及導電添加劑比如碳。對于鉛酸電池，優選的陽極材料的形式是鉛絨。選定好陽極和陰極，以使得一旦包括該電池單元在內的一電路形成時，該陽極和陰極共同起作用，作用為一電化學電池單元。
[0032]根據本發明的總成進一步包括分隔器。分隔器位于電化學電池單元中的陽極和陰極之間，更具體地說分隔器是位于雙極板之間或一雙極板和一單極板之間。該分隔器優選地具有大于相鄰的陰極和陽極的面積的面積。優選地該分隔器從電池單元的陽極部分完全地分隔開該電池單元的陰極部分。優選地該分隔器的邊緣接觸雙極板和單極板的周緣邊緣，該周緣邊緣上沒設置陽極或陰極，由此該分隔器完全地將電池單元的陽極部分從該電池單元的陰極部分分隔開。電池分隔器用作對電化學電池單元分區；以防止電池單元由于枝狀晶體生長而短路；用于使液體電解質、離子、電子或這些元素的任何組合穿過該分隔器。在根據本發明的總成中可使用任何已知的執行一個或多個所述的列舉的功能的電池分隔器優選地該分隔器由非導電材料制備，比如多孔的聚合物薄膜、玻璃氈、多孔的橡膠、離子鍵地導電的凝膠體或天然的材料，比如木材等等。優選地該分隔器包含穿過該分隔器的氣孔或扭曲的路徑，其允許電解質、離子、電子或其組合通過該分隔器。其中用作分隔器的更優選的材料為具吸收特性的玻璃墊，以及多孔的超高分子量聚烯烴薄膜等等。
[0033]在一些實施例中，根據本發明的制品進一步包括金屬板或金屬箔。該金屬板或金屬箔用于分散電化學電池單元中流動的電子以保證活性物質至襯底的電氣連接，以及在一些實施例中用作集電器。在一些實施例中，該電池包含電流導體，其傳輸電子至正極電池端子，在那些實施例中，該金屬板或金屬箔將電子傳導至該電流導體。該金屬板或金屬箔可由任何導電金屬制備，優選的導電金屬為銀、錫、銅以及鉛。該金屬的選定受陽極和陰極材料影響。在一鉛酸電池中，優選用鉛薄片或鉛箔。金屬箔或金屬板優選地位于陽極和襯底之間，或陰極和襯底之間。該金屬板或金屬箔可粘附至襯底。可使用任何將金屬板或金屬箔粘附至在電池單元的環境中支撐該金屬板或金屬箔的襯底的方法，比如熔接或粘著接合。優選地該金屬板或金屬箔為粘著接合至襯底。優選的用于該接合的粘著劑包括環氧基樹脂、橡膠膠水、酚醛樹脂、腈橡膠化合物或氰基丙烯酸鹽粘合膠劑。優選地該金屬板或金屬箔位于陽極和襯底的整個表面之間，或陰極和襯底的整個表面之間。該金屬板和金屬箔可覆蓋襯底的整個表面。在陽極或陰極為漿糊形式的實施例中，該漿糊被涂布于該金屬箔或金屬板上。該金屬板或金屬箔可接觸一個或多個電流導體以傳輸電子至該電流導體。該金屬板或金屬箔選擇為足夠厚以分散流經電池單元的電子，以及在適當的情況下收集電子并將其傳輸至電池單元中的電流導體。優選地該金屬板或金屬箔具有約0.75_或更小的厚度，更優選地約0.2mm或更小，以及最優選地約0.1mm或更小。優選地該金屬板或金屬箔具有約
0.025mm或更大的厚度,更優選地約0.050mm或更大，以及最優選地約0.075mm或更大。
[0034]在根據本發明的總成中，部件堆疊可包括橫切通道，其穿過該部件和電化學電池單元所形成的區域，該電池單元還包含液體電解質。該堆疊包括雙極板、單極板、分隔器、陽極、陰極，可選地包括金屬板以及堆疊的任何其它可利用的部件。該橫切通道用于容納支柱，以及該通道中的一些可以不填充，以用作橫切冷卻通道或排氣/填充通道。在根據本發明的一些實施例中，該通道穿過陽極、陰極以及包含電解質的電池單元。該通道為密封的，以防止電解質和在工作期間生成的氣體進入該通道。可以使用能達到這一目的的任何密封方法。該通道的尺寸和形狀可為任何尺寸或形狀，以使其容納支柱，該支柱支撐襯底的端板和邊緣以防止電解質和在工作期間生成的氣體的泄漏，以及防止在工作期間出現的壓縮力損壞用于各自的電化學電池單元的部件和密封。該形狀可優選地為圓形、橢圓或多邊形，比如正方形、矩形、六角形等等。該通道的尺寸選擇為適應所使用的支柱。在實際中，該通道包括布置在部件中的一系列的孔，以使一支柱可置于其形成的通道中，或因此一液體可通過該通道傳輸以用于冷卻。選擇通道的數量以支撐襯底的端板和邊緣，以防止電解質和在工作期間生成的氣體的泄漏，以及防止在工作期間出現的壓縮力損壞用于各自的電化學電池單元的部件和密封。優選地設置有多個通道，以分散在工作期間產生的壓縮力。通道的數量和設計足以最小化邊緣應力，所述邊緣應力超過密封的疲勞強度。選擇該通道的位置以擴散在工作期間產生的壓縮力。優選的是，在一定程度上均勻地分布通道使其穿過堆疊，以更好地處理應力。優選地該通道具有約2_或更大的橫截面尺寸，更優選地約4_或更大，以及最優選地約6_或更大。該通道橫截面尺寸的上限實際為，如果該尺寸太大，則降低總成的效率。優選地該通道具有約12_或更小的橫截面尺寸，以及最優選地約IOmm或更小。
[0035]在至少一些通道中設置有支柱，其執行下列的一個或多個功能:將部件堆疊以這樣的方式支撐在一起，以防止部件損壞或堆疊的部件的邊緣之間的密封斷開；保證整個分隔器材料內的均勻壓縮；以及保證分隔器材料的均勻厚度。優選地該支柱在每一端部具有一覆疊部分，其與單極端板的外表面嚙合。該覆疊部分用于在單極端板的外表面以這樣的方式施加壓力，以防止部件損壞或堆疊的部件的邊緣之間的密封斷開，以及防止在電池操作的期間，堆疊的膨脹或移位。該覆疊部分與一密封面接觸，端板的一部分與該覆疊部分接觸。在一些實施例中，該堆疊可具有位于單極端板上方的分隔結構或保護端件，而該覆疊部分將與該結構或保護端件的外表面接觸。該覆疊部分可為任何結構，其結合支柱防止部件損壞或堆疊的部件的邊緣之間的密封斷開。示例性的覆疊部分包括螺栓頭、螺帽、模制頭、曲頭釘、開口銷、軸肩等等。該支柱為穿過整個堆疊的長度，且這樣的長度基于電池的所需容量而改變。該支柱優選地展現為可填充該通道的橫截面形狀和尺寸。選擇該支柱的數量以支撐端板和襯底邊緣，以防止電解質泄漏和在工作期間生成的氣體，以及防止在工作期間出現的壓縮力損壞部件和用于各自的電化學電池單元的密封，以及使超過密封疲勞強度的邊緣應力最小化。優選地設置有多個支柱以分散開在工作期間產生的壓縮力。在一個或多個通道用于冷卻通道或排氣/填充通道的情況下，支柱可以比通道少。該支柱可包括執行必需功能的任何材料。如果該支柱用于密封通道，則選擇使用的材料以承受得起電池單元的工作條件，當其暴露于電解質時不被腐蝕，以及可承受得起在電池單元工作期間產生的溫度和壓力。在該支柱執行密封功能的情況下，該支柱優選地包括可承受得起上述條件的聚合物或陶瓷材料。在本實施例中，該材料必須為非導電的，以防止電池單元短路。優選地該支柱包括如本文所述的熱塑性材料。優選的熱塑性材料為ABS、聚丙烯、多元酯、熱塑性的聚亞安酯、聚烯烴、化合的熱塑性樹脂、聚碳酸酯等等。ABS為最優選的。在通道為單獨地密封的情況下，該支柱可包括任何具有結構完整性的材料以執行所需的功能。可使用上述的聚合物材料、陶瓷和金屬。適當的金屬可以為鋼、銅、鋁黃銅合金、銅等等。該支柱可包括模制支柱、帶螺紋支柱或帶有一個或多個端部附件的支柱。在部件為帶螺紋的情況下，則該堆疊的結構部件設有螺紋以接納該帶螺紋的支柱。支柱在一端可具有頭部，且另一端可具有螺帽、曲頭釘孔或開口銷孔；或在兩端均具有螺帽、曲頭釘孔或開口銷孔。一般地這是對于非模制支柱的情況。該支柱可構造為單向棘齒裝置，其允許縮短但不允許加長。這樣的支柱將被定位，然后在堆疊被壓縮時，該支柱縮短，由此保持堆疊上的壓力。在本實施例中的支柱可具有脊，其配合棘齒使該支柱用作類似束線帶的結構中的一個部件。匹配的螺帽和/或墊圈可配合支柱使用，以當極板定位至相鄰時壓縮該極板。該螺帽和/或墊圈以單向在支柱和脊上行進，可防止該螺帽和/或墊圈沿支柱往另一方向移動。在使用中，支柱中的孔將使適當的曲頭釘、開口銷等等執行上述功能。如果支柱為模制的，可單獨模制或就地模制。如果就地模制、原地模制，需要在通道中設置一密封以支撐就地熔化的塑料。可使用非導電的帶螺紋的支柱并可設置必要的密封。替代地可設計一預模制的非導電的聚合物支柱，以在通道中以密封通道的方式形成干涉配合。該支柱可就地由模制制成，比如注塑成型。
[0036]在裝配時，包括雙極板和單極板的部件堆疊構成密封的電化學電池單元。密封的電池單元中設置有液體電解質。該電解質可為任何促進與所使用的陽極和陰極液體發生電化學反應的電解質。該電解質使電子和離子在陽極和陰極之間流動。該電解質可為水系或有機系。本文中使用的有機電解質包括溶解于一有機溶劑中的電解質鹽。在鋰離子二次電池中，鋰需要包含在電解質鹽中。對于包含有鋰的電解質鹽，例如，可由LiPF6、LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiSO3CF3和LiN(CF3SO2)2制成。這些電解質鹽可以單獨使用或以兩個或更多的組合來使用。有機溶劑應與該分隔器、陰極、陽極和電解質鹽兼容。優選使用即使施加高壓時也不分解的有機溶劑。例如，優選使用碳酸鹽，諸如碳酸亞乙酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、丁烯碳酸鹽、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯和乙基甲基碳酸鹽；環狀醚，諸如四氫呋喃(THF)和2-甲基四氫呋喃(2-MeTHF);環酯，諸如1、3_ 二氧戊環和4-甲基二惡戍燒(4-methyldioxolane);內酯，諸如Y 丁內酯；環丁砜；3-甲基環丁砜；乙二醇二甲醚(dimethoxyethane)、乙二醇二乙醚(diethoxyethane)、乙氧基乙氧基甲燒(ethoxymethoxymethane)和乙基二甘醇二甲醚(ethyldiglyme)。這些溶劑可以單獨使用或以兩個或更多的組合來使用。液體電解質中的電解質濃度應該優選地為0.3-5摩爾/L。通常，該電解質在I摩爾/L附近表現最高的導電性。液體電解質應該優選地占30-70的重量百分比，且特別占40-60的重量百分比。水性電解質包括水中的酸類或鹽，其增強電池單元的運行。優選的鹽和酸類包括硫酸、硫酸鈉或硫酸鉀鹽。鹽或酸設置為足夠的量以有助于電池單元的作。基于電解質的重量，優選地其濃度大約為0.5或更大的重量百分率，更優選地約1.0或更大，以及最優選地約1.5的重量百分數或更大。鉛酸電池中優選的電解質為水硫酸。
[0037]根據本發明的制品可包括橫切通道和支柱之間的密封。該密封可位于通道中，其圍繞通道的外部或同時圍繞通道和通道的外部。該密封可包括任何防止電解質和在工作期間生成的氣體從電化學電池單元滲漏的材料或形式。該密封可為一薄膜、套管，或一系列匹配的襯墊或凸起部，其在極板和/或分隔器中，或插入至通道中。該薄膜可為彈性的。該通道可由一系列的襯墊或凸起部形成，該襯墊或凸起部插入或集成至極板和/或分隔器中。該襯墊可以為可壓縮的或能夠彼此聯鎖以形成沿該通道的防泄漏密封。該襯墊可在電池極板和/或分隔器中就地制成，諸如對其就地模制。優選地該襯墊由注塑成型就地模制。該套管可由任何可承受曝露于電解質的、承受得起電化學電池單元的工作條件的、由插入支柱或由通道中的支柱所施予的力的材料制備。上述的優選的聚合物材料可用于支柱和襯底。在另一實施例中，該密封由置于雙極板和單極板之間的軸襯(bushing)或套管(sleeve)構成。該套管可相對堅硬而該軸襯一般地為彈性的。該套管和/或軸襯可以適配為安裝在雙極板和單極板中或具有端部，該端部插入至構成橫切通道的極板孔中。該雙極板和單極板可制成或機械加工為包含用于該套管和/或軸襯的匹配凹痕。帶有該套管或軸襯的極板堆疊的總成可建立干涉配合以有效地密封該通道。可替代地該套管或軸襯可以為熔融接合或粘著接合至極板，由此在連接處形成一密封。可替代地該套管可以由用于密封通道的一涂層涂制而成。如上所述，該支柱可用于密封通道。可以設想到，這些密封解決方案的結合可使用在單個通道或不同的通道中。極板堆疊的部件，包括單極板和雙極板，優選地具有相同的形狀和公共的邊緣。這有助于邊緣的密封。在設置有分隔器的情況下，它們一般具有和電池極板相似的結構，以適配橫切通道的構成或建造。在另一實施例中，該密封可以為熱固性聚合物，諸如環氧樹脂、聚亞安酯或丙烯酸的聚合物，其被注入至螺栓和橫切通道之間。可改造極板的密封面，以在支柱施加壓縮時改善密封。該密封面可為平滑化的、具有凸起輪廓的、粗糙化的或經表面處理的。一光滑表面將具有較大的接觸面積，其使電解質被緊致密封而不會有讓液體流動的缺陷。諸如同心環(或多個同心環)、脊(或多個脊)或波浪的凸起輪廓，產生高壓接觸的區域或"環"，以抵制液體電解質的流動。該脊可填充有襯墊材料，諸如可變形的平坦的薄片或O型環，以有助于液封。由可變形材料制成的粗糙密封面可壓縮以形成可靠的液體電解質密封。對該密封面進行表面處理，使其不被液體電解質濕潤，這將防止液體電解質流入通道。如果使用親水的電解質，則該密封面可制為疏水的。同樣地，如果使用疏水的電解質，則該密封面應該為親水的。
[0038]邊緣被密封，以防止電解質和從電池單元生成的氣體的泄漏，并且隔離各自的電池單元以防止電池單元的短路。邊緣可使用任何已知的電池密封方法來密封。在一些實施例中，該總成的邊緣使用由Shaffer等人共同持有的美國專利，雙極電池總成，US23010/0183920A1 (其全文通過參照合并至本文中)所公開的內(endo)骨架或外骨架密封系統來密封。由Shaffer等人公開的密封系統設想有用于雙極電池積層結構的獨有結構，諸如以上描述的結構。該結構，不論是否經由上述方法制成，一般地包括第一分隔器框；一負極粘貼框元件，其具有一個或多個邊緣和在一個或多個該負極的粘貼框邊緣之間延伸的支撐網狀結構；一負極集電器箔；一襯底，其具有多個形成于其中的開口 ；一正極集電器箔；一正極粘貼框兀件，其具有一個或多個邊緣和在一個或多個該正極粘貼框邊緣和一第二分隔器框之間延伸的支撐網狀結構；該第一分隔器框可包括一個或多個邊緣。該負極粘貼框元件可具有一個或多個邊緣，以使該負極粘貼框元件的至少一個邊緣與該分隔器框的至少一個邊緣平面接觸。該襯底也可具有一個或多個邊緣，以使該襯底的至少一個邊緣與該負極粘貼框元件框的至少一個邊緣平面接觸。該正極粘貼框元件可具有一個或多個邊緣，以使該正極粘貼框元件的至少一個邊緣與該襯底框的至少一個邊緣平面接觸。該第二分隔器框可具有一個或多個邊緣，以使該分隔器框的至少一個邊緣與該正極粘貼框元件框的至少一個邊緣平面接觸。分隔器框的邊緣的平面接觸、負極粘貼框元件和正極粘貼框元件和襯底形成電池上的一外部密封，因此引入至其中的電解質將不會從電池內泄漏出來。該粘貼框元件的邊緣可進一步包括開口，其用于接納位于分隔器框的邊緣上的定位銷或支撐元件。該定位銷至粘貼框元件上的開口中的定位可進一步有助于該外部密封的形成。還可以預想到，可使用一框架結構，通過該框架結構，一個或多個分隔器框和一個或多個粘貼框與該襯底組合，其中每一個與相鄰的框和/或襯底處于平面接觸，由此電池的內部結構生成一外部密封，其防止任何液體或氣體(空氣)從電池逸出。該粘貼框元件的邊緣可進一步包括開口，其用于接納位于分隔器框的邊緣上的定位銷或支撐元件。該定位銷至粘貼框元件上的開口中的定位可進一步有助于該外部密封的形成。因此，引入到電池的任何電解質將被穩固地保持，而不會有電池泄漏和隨后的電池失效的風險。另外，為有效地密封電池，不需要沉重的端板或者外部的支撐結構。如上所述，該粘貼框元件可進一步包括支撐元件(例如銷)，其位于粘貼框元件的邊緣之間。使用支撐元件就是作為壓縮應力和由其導致的不需要的電池內部邊緣/剝離應力問題的解決方法。這些應力可能導致如在上面討論的不希望的電池泄漏。在電池內使用支撐銷，以及所得出的本文討論的內部的方法，可因此稱為建造具有內-骨架的雙極電池。使用內-骨架建造方法或構造方法來解決所不希望的電池內部壓縮應力效應的一特征是，其不會導致體積能量密度的減少。此外，它是一個輕量級的方法，只用幾個輕量級的銷以使活性物質的損耗非常小。進一步，已發現內-骨架建造方法能大大地降低由邊緣剝離引起的傳統的雙極電池故障形式的可能性。更進一步，如果需要的話，可以在框架元件的周界或邊緣上添加銷，以對齊分隔的框架元件，從而允許其在壓縮期間上下滑動或前后滑動。如果需要，該雙極電池可使用內-骨架和外-骨架建造方法的結合來構造。例如，該雙極電池可使用如上所述的內部支撐銷來構造。除此之外，也可在單極的端子側設置一框架結構。該外部電池構造可利用作為具有美感的盒子的一部分的端部覆蓋件來加固。在這樣構造中的內-骨架和外-骨架的結合特征協同作用，進一步最大限度的降低邊緣應力和移位。該雙極電池也可基本上沒有任何外-骨架結構。在一個實施例中，用于電池極板的襯底可具有圍繞該襯底周緣的凸起邊緣，其用作粘貼的框架，用以構成容納電解質的空腔，以及用于可選的分隔器，以相對彼此密封，且密封一外部薄膜(在使用到時)。
[0039]在另一實施例中，單極板和雙極板堆疊的邊緣可粘附有一薄膜。該薄膜可經由任何能密封極板邊緣和隔離電化學電池單元的手段來接合至極板的邊緣。示例性的接合方法包括，尤其是粘著接合、熔融接合、振動熔接、射頻熔接、微波熔接。該薄膜為一片聚合物材料，該材料可密封單極板和雙極板的邊緣，并可耐受曝露于電解質中，以及耐受電池所接觸的內部或外部環境。該薄膜可采用與用于雙極板襯底的相同的材料。優選地該薄膜為可以熔融接合、振動熔接或圍繞單極板和雙極板襯底模制的熱塑性聚合物。優選地相同的熱塑性聚合物可用于單極和雙極的襯底，和薄膜。具體地，優選的材料是聚乙烯、聚丙烯、ABS和多元酯，以ABS為最優選。該薄膜的尺寸可為堆疊側面的尺寸，該薄膜接合至堆疊側面且該薄膜接合至堆疊的每一側。在本實施例中，相鄰的薄膜的邊緣優選地為密封的。該邊緣可使用粘著劑、熔融接合或一模制工藝來密封。該薄膜可包括單一整體的薄片，其包繞堆疊的整個周緣。該薄膜的前緣、與堆疊接觸的第一邊緣，以及該堆疊的后緣、施加的薄膜薄片的末端優選地彼此接合以實現密封。這可通過使用一粘著劑、通過熔融接合或模制工藝來實現。在熔融接合中，薄膜表面和/或堆疊邊緣處于這樣的條件下，以使其中一個或兩者的表面熔化，然后薄膜和堆疊邊緣在其表面熔化時接觸。該薄膜和堆疊邊緣接合為，其表面結合形成能夠密封這些部件至一起的接合。在一優選的實施例中，該薄膜取自一連續的薄膜材料薄片并裁切成所需的長度。該薄膜的寬度優選地匹配單極板和雙極板堆疊的高度。該薄膜具有足夠的厚度以密封單極板和雙極板的邊緣，從而使電池單元與外界隔離。在一優選的實施例中，該薄膜還用作環繞堆疊邊緣的保護殼。優選地該薄膜具有約Imm或更大的厚度，更優選地為1.6mm或更大，以及最優選地為2毫米或更大。優選地該薄膜具有約5mm或更小的厚度，更優選地為4mm或更小，最優選地為2.5毫米或更小。在實施例中，該薄膜接合至堆疊邊緣，可采用任何可耐受曝露于電解質以及耐受電池工作環境的粘著劑。優選的粘著劑是塑料膠水、環氧樹脂、氰基丙烯酸鹽粘合劑膠或丙烯酸鹽樹脂。可替代地，該薄膜可通過圍繞電池極板堆疊的整體或一部分，模制熱塑性的或熱固性材料而成。可采用任何已知的模制方法，包括熱成型、反應注塑成型、滾塑成型、吹塑成型、模壓成型等等。優選地，該薄膜可通過圍繞電池極板堆疊的整體或一部分注塑成型而成。在該薄膜圍繞極板堆疊的一部分而制成的情況下，優選地該薄膜圍繞電池極板的邊緣或電池極板和分隔器制成。
[0040]密封的堆疊可置于一外殼中以保護制成的電池。可替代地該薄膜連同位于堆疊端部的單極板上方的保護敷層一起用作電池外殼。單極板可具有一合適的保護罩，其附加或接合至與陽極或陰極相反的表面。該罩可為與該薄膜相同的材料，或為可粘著接合或熔融接合至該薄膜的材料，且其具有上述的對應該薄膜的厚度范圍。如果附著至極板的端部，該罩可以通過任何機械附件來附著，該機械附件包括具有覆疊部分的支柱。該外殼可通過圍繞電池極板堆疊和/或單極板的相反側模制一薄膜而成。
[0041]在一些實施例中，分隔器具有集成的框架。該框架用于與相鄰的電池極板的邊緣匹配，以形成電化學電池單元和電池外部之間的密封。該框架可使用任何接合分隔器至該框架的手段，通過圍繞構成分隔器的薄片的周緣來附接至分隔器，該框架可耐受曝露于電解質溶液，例如可使用粘著劑接合、熔融接合或圍繞分隔器的周緣模制該框架。該框架可采用任何已知的模制技術就地模制，例如熱成型、注塑成型、滾塑成型、吹塑成型、模壓成型等等。優選地該框架圍繞分隔器薄片注塑成型。該框架可包含一凸起邊緣，其適配為匹配圍繞電池極板襯底周緣設置的凸起邊緣。電池極板襯底和分隔器的框架的其中一個或兩者中的凸起邊緣可匹配為，形成用于電池堆疊的公共邊緣，以及匹配為，增強電化學電池單元和電池外部之間的密封。正如上述所討論的，分隔器可具有集成至該分隔器中的襯墊，其中該襯墊用于限定穿過堆疊的橫切通道。該襯墊可由任何已知的手段制成，且優選地為就地模制，優選地采用注塑成型。在分隔器同時具有襯墊和框架的情況下，該兩種部件可在一個步驟中模制，例如通過注塑成型。
[0042]根據本發明的總成可進一步包括一個或多個導電導管，其適配為將電子從該金屬板或金屬箔(通常稱為集電器)傳輸至正極端子。典型的雙極電池中，電子穿過襯底從電池單元流動至電池單元。或者該襯底至少部分地包括導電材料或包括穿過襯底的導電路徑。當包含電池單元的電路閉合時，電子穿過襯底在各個電池單元之間流動直至到正極端子。可設想到，根據本發明的總成中的電子可穿過襯底和電池單元，穿過集電器，或穿過兩者，流動至一電流導體。
[0043]根據本發明的總成優選地包含一對或多對導電端子，每一對連接至一正極端子和負極端子。該端子適配為連接每一電池堆疊至一負載，該負載本質上為利用電池單元所產生的電的系統。該端子與總成中的導電導管接觸。該總成可包含用于一個或多個電池單元的壓力釋放閥門，其在電池單元若達到一危險的內壓力時釋放壓力。該壓力釋放閥門設計為，能夠在某種程度上防止損壞使用該電池的致命失效。一旦壓力釋放閥門被釋放，電池失效。可替代地根據本發明的總成可包含單個的止回閥，當達到一危險的壓力時或之前，其釋放來自整個總成的壓力。
[0044]根據本發明的總成附接至一負載，從而構成包括該電池單元的電路。電子流動至端子和負載，該負載為使用電的系統。只要電池單元可產生電，該流動將持續。如果電池單元堆疊完全地放電，該電池在再使用之前需要經歷一充電步驟。如果用于雙極板的襯底包含一導電材料混合物，在電池總成的低于該導電材料混合物相變溫度的工作溫度下，該襯底具有在襯底第一表面和第二表面之間的通過該材料混合物的導電路徑，而在高于該導電材料混合物相變溫度的溫度下，該導電材料將經歷使通過該導電路徑的導電性失效的相變。這使電池在出現麻煩的結果之前失效。一旦電池放完電，可通過形成帶有電源的電路來再充電。在充電的期間，電極改變功能，陽極在放電期間變成陰極，而陰極在放電期間變成陽極。基本上，相對于放電，該電化學電池單元中，電子和離子以相反方向流動。
[0045]根據本發明的總成可通過下列的步驟制備。用于雙極板和單極板的襯底為成形或裁切至一形狀。如果該襯底包括一非導電的材料，而裝配為傳統的雙極電池，則該襯底需要轉換為合成襯底。實現手段為，通過任何已知的手段制成穿過該襯底的孔，比如在襯底中模制或對該襯底機械加工來制成孔。該開孔填充有導電材料，優選地為如上文所述的在一限定的溫度熔融的導電材料。如果有使用到金屬板或金屬箔，則其粘附至襯底的一個面或兩面。優選地該金屬板或金屬箔為使用上文所述的粘著劑接合至襯底，優選地為腈基橡膠膠水。陰極和陽極附接至襯底，或附接至該金屬板或金屬箔。這樣的附接可使用任何標準的陰極或陽極附接方法來實現。在陰極和陽極為漿糊(paste)形式的情況下，該漿糊施加于襯底或金屬板或金屬箔上。在本實施例中，該漿糊可以干燥。優選地用于橫切通道的孔為預成形或機械加工于襯底、金屬板或金屬箔、分隔器、陽極、陰極和任何其它存在的部件中。在通道為使用套管、襯墊或凸起部等等制成的情況下，它們被插入至電池極板和/或分隔器中。在該襯墊為就地模制的情況下，它們使用已知的模制工藝就地模制。然后疊置部件，如此每一極板的陽極面對另一極板的陰極。優選地這些板疊置為，使襯底的邊緣沿任何其它框架部件對齊。在一個實施例中，使用具有兩個或更多導銷或螺栓的板來支撐該堆疊。部件以與本文所公開的一致的適當順序疊置在具有導銷的板上。兩個或更多的橫切通道可用于該定位銷或螺栓。一旦完成該堆疊，可插入彈性薄膜或塑料套管至該橫切通道中。如果通道為通過位于板中的孔之間的軸襯或塑料套管來密封，可施加一涂層至通道的內部、孔的內部、套管和/或軸襯。如果板的孔內部需要設置螺紋，則使用已知的技術在組裝之前或之后對這些孔設置螺紋。此后，將支柱插入至堆疊中并通過覆疊部分固定至單極板的相反側的密封面。在覆疊部分為一機械的附屬結構的情況下，將這樣的附屬結構固定至支柱。在支柱為就地注塑成型的情況下，將熔化的熱塑性材料插入至通道中，且該熔化的材料的覆疊部分制成于兩端的密封面上。優選地通道表面被加熱，以熔融通道內的表面，在本實施例中，注入的熱塑性材料良好地接合至該通道內。該熱塑性材料允許被冷卻。在另一實施例中，通道可具有插入至該通道的成形件；以及一成形件，其用作每一端部成形件的覆疊部分。然后，將一具有二部分(two-part)的熱固性材料添加至通道，并使其固化以形成支柱。在該支柱設計為通過干涉配合安裝至通道中的情況下，使用適當的力插入該支柱。在固定該支柱并使其穩定后，從導銷移除該堆疊，從而可將支柱插入至曾用于該導銷的通道中。
[0046]在薄膜被施加至堆疊表面邊緣的實施例中，將一粘著劑施加至薄膜或堆疊邊緣，或施加至這兩者上，從而該薄膜和堆疊邊緣接觸并接合至一起。可就地支撐該薄膜，同時使用已知的機械的手段使粘著劑凝固(set)或固化。該薄膜邊緣密封至單極板的相反表面的其它薄膜薄片或薄膜或端板的未密封的邊緣。該密封可使用粘著劑或熔融接合來實現。可替代地該薄膜可使用熔融接合來附接。在熔融接合中，堆疊邊緣和需要接合至該邊緣的薄膜表面處于這樣的條件下，以使表面熔化，但不會對薄膜或堆疊的結構完整性造成負面影響。這可通過使其每一個與一熱的表面、滾筒、熱的液體、空氣、放射線、振動等等接觸來實現，然后使薄膜和堆疊邊緣沿著熔融表面接觸，并使熔化的表面冷卻從而接合至一起。可裁切該薄膜至適配一特別的邊緣或其可為一連續薄片，該薄片圍繞堆疊邊緣而對其包裹。在本實施例中，該薄膜的前緣和后緣在其相遇時接合一起，優選地為使用熔融接合。在單極板外表面設置有端板或薄膜的情況下，該薄膜可密封至單極板外表面的端板或薄膜。在使用外殼的情況下，該總成可插入至外殼中。優選地該薄膜用作外殼。在該熔融接合的實施例中，薄膜和堆疊邊緣處于這樣的溫度或條件下，其中，經過足夠的時間來熔融其每一個的表面，其每一個的表面被熔融至熔化。該溫度優選地選定為高于薄膜和/或襯底以及任何其它結構組件所使用材料的熔點。優選地所使用的溫度大約為200° C或更高，更優選地約220° C或更高，以及最優選地約230° C或更高。優選地所使用的溫度大約為300° C或更低，更優選地約270° C或更低，以及最優選地約240° C或更低。
[0047]該框架和/或襯墊可使用下列的步驟模制至分隔器或電池極板襯底中或模制在分隔器或電池極板襯底上。裁切分隔器薄片至一定的尺寸(沖模、縱切(slit)、沖壓等)。堆疊一個或多個薄片至所需的厚度。將薄片置入一模具中，該模具將該薄片置入一固定位置。該模具按需要構成圍繞分隔器的框架周緣和圍繞橫切通道的任何內部特征(例如軸襯)。進一步，該模具設計為，不過度地壓縮分隔器材料，以及防止塑料損壞分隔器材料。然后，將塑料注射入模具中，在塑料冷卻時，排出部件。
[0048]該薄膜可采用下列步驟圍繞電池堆疊的整體或一部分模制而成。以適當的順序(端板、單極板、分隔器、雙極板等)堆疊電池部件。可使用穿過每一疊置組件的橫切孔的導桿來保證堆疊的對齊。然后將堆疊的總成轉移到模具中，該模具包括正模腔、負模腔、用于電池本體的插入模腔(insert mold cavity)(替代地可使用注塑成型中常用的滑動門)和位于負模腔或正模腔中的可縮回的導銷。將該堆疊的總成轉移到該可縮回的導銷上，以保證和保持對齊。然后閉合模具，其壓縮該總成。然后注射入塑料以形成電池的外部薄膜，其密封部件和端板。然后縮回該導銷，并進行第二次塑料注射，其填充橫切通道和將注射的塑料固定至端板。在冷卻后，電池從模具排出。
[0049]該總成可進一步包括一個或多個排氣孔，其引入至電化學電池單元中的一個或多個。優選地一排氣孔與每一電化學電池單元接觸。優選地該排氣孔位于每一電池單元的電池分隔器中。在另一實施例中，根據本發明的總成可包括一集合管。優選地該一個或多個排氣孔與該集合管接觸，且該集合管形成用于所有排氣孔的公共的頂部空間。優選地該集合管具有形成于其中的一個或多個端口，這樣，一個或多個閥門，比如止回閥，可置于集合管端口中。該電池可進一步包括一填充閥門。優選地該填充閥門位于集合管中。根據本發明的制品可進一步包括一個或多個集成的填充和/或排氣通道。該通道形成于電池堆疊的邊緣附近且與陰極和陽極之間分隔器所在的區域連通，當電解質添加至該區域時其形成電化學電池單元。可在組裝之前，通過在該分隔器和電池極板中制成孔，然后將孔對齊，來形成該通道。只要橫切通道與適配為用作電化學電池單元的區域連通，襯墊、套管或凸起部可如本文所討論的那樣用作該橫切通道。優選地該通道在兩處與電池堆疊外部連通。這有助于往電池填充電解質。在電化學電池單元填充電解質之后，可填充或閉合開口中的其中一個。另一個開口用于為電池和電化學電池單元排氣。在填充期間，在一個外部的孔上抽真空，從而電解質被抽入至另一個孔中。可替代地使用單個的孔，且如下文所述的那樣填充電化學電池單元。一閥門，諸如止回閥、突開閥、減壓安全閥等等，可在填充之后插入至剩余的孔中。該通道可預制螺紋或在堆疊組裝之后攻螺紋。
[0050]在組裝之后，如需要可鉆出排氣孔穿過密封膜至每一電池單元中，該排氣孔集中地位于具吸收特性玻璃墊分隔器的厚度上。然后將一集合管附接至電池總成的頂部，形成位于排氣孔上方的公共的頂上空間。可在該集合管中制造單個端口。該單個的集合管端口可用作真空清除端口和電解質填充端口。通過真空泵對該集合管端口抽真空至低壓，例如約29英寸汞，然后關閉真空源的閥門，連接至一電解質源的填充閥門打開，以使電解質同時填充電池的所有電池單元。在一些實施例中，在制造或模制該圍繞分隔器的框架時，將排氣孔制成在該框架中。在一些實施例中，通過打超前鉆眼或在用于電池極板的襯底和分隔器的框架中制孔，來制成一集成的排氣通道。可對齊這些孔以形成一通道。優選地該通道與排氣孔連通，該排氣孔與電化學電池單元連通。在一些實施例中，該集成的排氣通道可為其中一個橫切通道，其中該橫切通道具有與每一電化學電池單元連通的排氣孔。這可通過為橫切通道中的薄膜或襯墊設置具有對應每一電化學電池單元的排氣孔來實現。在另一實施例中，該通道可由具有排氣孔的襯墊或凸起部制成，或該通道可由構成與電化學電池單元連通的排氣孔的襯墊或凸起部制成。可對該集成的通道增壓以防止電解質的回流。該集成的通道末端可設置有一閥門以控制總成的內壓力。在使用之前，該通道用于對電化學電池單元填充電解質。在一優選的實施例中，該閥門位于其中一個端板上。可在組裝之后對該通道設置螺紋或在組裝之前預制螺紋，用于插入一閥門。可使用任何已知的用于插入和固持(retention)的手段來插入并固持該閥門。本文公開的制品中使用的一些部件適配為與其它公開的部件相鄰。設計為與其它部件相鄰的部件，可具有或利用本領域已知的部件或技術，以彼此適當的關系來固持零件。用于以彼此的關系固持部件的具體部件或技術，根據設計或組裝本發明總成的熟練技工的部件、關聯和設計偏好來選擇。
[0051]優選地，根據本發明的總成能承受IOOpsi或更大的內壓力，而不因該內壓力發生滲漏或翹曲，優選地約50psi或更大，甚至更優選地約20psi或更大，以及最優選地約IOpsi或更小。優選地該總成能承受約6至IOpsi的內壓力。優選地，根據本發明的總成具有約38瓦時/千克的能量密度，更優選地約40瓦時/千克，以及最優選地約50瓦時/千克。根據本發明的總成可產生任何所需的電壓，例如6、12、24、48和96伏特。盡管約200伏特為實用上的上限，該電壓可以更高。
[0052]下面的附圖示出了本發明的一些實施例。圖1示出雙極板堆疊10的側視圖。其顯示有多個單極的和雙極的襯底板11。相鄰于每一雙極襯底板的是陽極12和陰極13。在每一電池單元的陽極12和陰極13之間設置有分隔器14，其包括具吸收特性的玻璃墊，其中吸收有電解質。還顯示有密封15，其包括設置在一橫切通道16中的橡皮管。在橫切通道16中的橡皮管15內有支柱17，其由帶螺紋的螺釘構成。支柱17的端部為覆疊部分，其由螺栓頭18和螺帽19構成。圍繞單極板43和雙極板44的襯底邊緣的是框20。圖2示出了端板21,其設置在一單極板43的襯底11的相對表面的端部上方。密封22置于螺栓17上的螺帽19和單極板相對表面24上的密封面23之間。
[0053]圖3示出，圍繞雙極襯底堆疊的邊緣施加有一薄膜。如圖中所示，在端板25上，四個螺栓17端部上的螺栓頭19互相隔開。端板25示出在堆疊的每一端。框20圍繞襯底
11。襯底框20之間設置有分隔器框34。通過熱源26和壓力28將一薄膜27施加至襯底框20和分隔器框34，以將薄膜27密封至襯底框20和分隔器框34的堆疊的邊緣。圖4示出雙極電池29，包括電池極板堆疊10，其分隔器框34與襯底框20間隔散布設置。如圖中所示，在端板25上，四個螺栓頭19互相隔開。圖中還顯示，排氣孔30鉆入至電池單元中，集合管31適配為覆蓋排氣孔30并形成用于排氣孔30的一公共頂部空間。圖中還顯示有一止回閥32，其設置在集合管31上，與該公共頂部空間(圖中未示出)接觸。圖中還顯示有兩個端子支柱33，其為用于雙極電池29的負極和正極端子。
[0054]圖5示出分隔器14、模制的集成的框34和四個模制襯墊35。模制襯墊35圍繞孔37，適配為形成橫切通道16的一部分。框34設置為圍繞具吸收特性的玻璃墊36。圖6示出了位于端件25上的模制支柱38和模制頭47。圖7和圖8所示為電池極板堆疊和分隔器板。圖7示出電池極板堆疊和分隔器的部分分解圖。如圖所示，端板25具有一孔42和用于由螺栓和螺帽19構成的支柱17的多個孔39。與端件相鄰的為具有框20的單極板43，框20帶有一凸起的邊緣。單極板43具有凸起的襯墊41，其環繞用于形成橫切通道16的孔和該孔中的支柱19。與單極板43相鄰的為分隔器14，其具有圍繞其周緣的框34和包括中心部分的具吸收特性的玻璃墊36。圖中顯示了環繞用于形成橫切通道的孔37的模制襯墊
35。與分隔器14相鄰的為雙極板44，其具有圍繞其周緣的具有凸起表面的框20、凸起的以形成橫切通道16的模制襯墊41。襯墊41形成用于橫切通道的孔40。圖8示出電池極板堆疊和分隔器。如圖所示為端板25、電池極板襯底框20、分隔器框34、支柱17、圍繞支柱的螺帽19。端板25中的孔42具有位于其中的電池端子33。
[0055]圖9所示為根據本發明的總成的另一實施例。如圖所示為，在端板25上的支柱17和螺帽19、其中帶有端子33的孔42、集合管31和閥門32，圍繞電池周緣的是薄膜27。圖10示出沿穿過橫切通道的線A-A所示的平面的剖面圖。如圖所示為單極板43，其具有襯底11和陰極13，襯底11的端部具有框20。與單極板43上陰極13相鄰的為分隔器14，其具有在每一端部上的框34。與第一個分隔器14相鄰的為雙極板44，其具有與第一個分隔器14相鄰的陽極12。陽極12設置在襯底11上，且襯底11的相反表面上設置有陰極13，以及在本視圖中設置在端部的是框20。在本視圖中，如圖所示設置有多個雙極板44。在雙極板44之間的是分隔器14。在本視圖中，在該堆疊的相對的端部，為具有襯底11的單極板43，如圖所示，其帶有框20和面向相鄰的分隔器14的陽極12。電池極板對與分隔器14構成電化學電池單元，分隔器14位于該電池單元中。圖中還顯示橫切通道16，其中設置有密封15和支柱17，且支柱17的端部設置有螺帽19。圖11示出圖9總成的堆疊端部的沿線B-B的顯示有排氣孔的部分剖面圖。圖12示出圖9的總成的剖面圖，其沿平面C-C穿過排氣孔45至電化學電池單元。如圖所示為，用于每一電化學電池單元的排氣孔45。
[0056]圖13示出根據本發明的總成的另一實施例，其中該總成的端板25中具有一閥門
32。閥門25與一集成通道46連通。集成的通道46與排氣孔連通。圖14示出圖13的總成的沿平面E-E的剖面圖，其具有往電化學電池單元的與排氣孔45連通的集成的通道46。集成的通道46在堆疊的端部與閥門32連通。圖15示出圖13的總成的剖面圖，其沿平面D-D穿過與排氣孔45連通的集成的通道46至電化學電池單元。
[0057]說明性的實施例[0058]提供下列示例以說明本發明，但并不打算限制其范圍。所有的部件和百分數均以重量計，除非另有說明。
[0059]示例1:
[0060]使用2個單極板(正和負)以及5個雙極板的12V雙極電池。該極板使用如本文所述的，標題為雙極蓄電池組件，由ShafferII等人共同擁有的專利申請US2010/0183920所采用的方法制造。在本示例中，極板為197mmX173mm，并包括四個橫切通道孔。使用用于負極活性物質和正極活性物質的標準的鉛-酸活性物質來粘貼極板。通過在穿過橫切通道的四個支柱上堆疊來組裝電池。這保證了極板的對齊。在每一極板放置好之后，放下四個軸襯在定位支柱上。這些軸襯將建立分隔器的最終的被壓縮的高度。然后，具吸收特性的玻璃墊分隔器以這樣的方式堆疊，以使分隔器切入有孔洞以容納軸襯。這進程對所有電池單元重復。使用穿過橫切通道的臨時螺栓對該總成進行壓緊和固定。通過熔融粘合一 2_厚的ABS片至雙極板的邊緣上，對電池邊緣進行密封。這重復于四個邊的每一邊。在邊緣密封之后，臨時約束的螺栓從橫切通道移走。一 ABS支柱插入穿過橫切通道，延伸越過端板。然后將該ABS支柱熱熔接(heat-staked)至端板上以密封通道和保證電池攜帶壓縮載荷。
[0061]在組裝時排氣孔穿過密封膜鉆入每一電池單元，其集中地位于具吸收特性玻璃墊分隔器的厚度上。然后將一歧管粘合至電池總成的頂部，形成位于排氣孔上方的公共的頂上空間。在歧管中制造一單端口。電池總成放置在一水槽中，且使用氦氣通過歧管端口施加4psi的壓力。觀察沒有泄漏或冒泡。
[0062]通過該端口抽真空至接近29英寸汞柱。將真空封閉，打開一填充閥門以同時使酸填充電池的所有電池單元。然后，使用標準的鉛酸電池的建造程序形成電池。在建造之后，測試電池的開路電池電壓、容量和電阻。在這個例子中，該電池具有12.95V的開路電壓(OCV)，按20小時放電率的18AH的容量，以及為20毫歐姆的電阻。
[0063]在一組實驗中，安裝一壓力計至歧管的端口。將已充電的電池放置在一個水槽中，并在端子上施加一電壓。電壓在14V至16V間改變。對壓力進行監測，由于在電極處產生的氧氣和氫氣，壓力隨外加電壓增加。在16V時，所指示的壓力為30psi。觀察沒有泄漏或冒泡。
[0064]示例2
[0065]第二個電池為類似示例I地建造。在這個例子中，橫切通道填充有環氧樹脂。一帽蓋件模制在端板上的樹脂端部，以幫助支撐壓縮載荷。在組裝之后，使用氦氣以4psi對電池進行壓力試驗，同時浸在一水槽中。沒有可見的泄漏。如之前一樣，對電池填充酸并就此制成。該電池展現12.93V的0CV，按20小時放電率的17.8安時(AH)的容量，以及為24毫歐姆的電阻。
[0066]示例3
[0067]使用示例I中相似的方法建造一 96V的電池。該電池由一正極的單極端部總成、一負極的單極端部總成和47個雙極板建造而成。在本示例中，橫切通道設有螺紋(tapped)，且一帶螺紋的塑料支柱插入該通道中。該帶螺紋的支柱延伸越過單極端板。與示例I類似，該帶螺紋的支柱為由熱樁制成，形成端部密封并固定壓縮負載。在組裝之后，該電池以4psi的氦進行壓力試驗；沒有泄漏。如上述，將酸填充至電池中并制成電池。該電池展現103.5V的0CV，按20小時放電率的17安時的容量。[0068]在此處使用的重量份數參照具體組分的100重量份。本發明公開了的示例性實施例。本領域普通技術人員識別本申請的教導范圍內的修改。上述申請中提及的任何數值均包括以一個單位的增量從低值到高值的所有值，條件是在任何低值和任何高值之間有至少2個單位的分隔。所列舉的最低值與最高值之間的數值的所有可能組合都被認為清楚記載在本申請中。除非另有說明，所有范圍包括兩個端點以及該端點之間的所有數字。當用于范圍時“約”或“大約”適用于范圍的兩個端。因此，“約20至30”意指包括“約20至約30”，至少包括所明確的端點。描述組合的術語“主要包括”應當包括所認明的元素、成分、部件或步驟，以及不實質影響組合的基本和新穎特征的其他的元素、成分、部件或步驟。這里使用術語“包括”或“包含”來描述元素、成分、部件或步驟的組合也可以設想到本質上包括該元素、成分、部件或步驟的實施方式。多個元素、成分、部件或步驟可以由單個整體的元素、成分、部件或步驟提供。替代地，單個整體的元素、成分、部件或步驟可以被劃分為單獨的多個元素、成分、部件或步驟。用于描述元素、成分、部件或步驟的公開內容“一”或“一個”并不意于排除額外的元素、成分、部件或步驟。
【權利要求】
1.一種制品，包括: a) 一個或多個電池極板堆疊，其包括一個或多個雙極板，該雙極板包括襯底，所述襯底的一個表面上具有一陽極而在其相反的表面上具有一陰極，所述電池極板堆疊還包括在一個表面上沉積有陰極的單極板和在一個表面上沉積有陽極的單極板，其中該雙極板設置為，使該極板的沉積有陰極的表面面向另一極板的沉積有陽極的表面，以及該單極板位于每一電池極板堆疊的兩端； b)位于每一極板之間的分隔器和液體電解質； 所述制品還包括以下特征中的一個或多個: 1)c)所述的一個或多個電池極板堆疊具有多個通道，所述通道橫切地穿過極板上沉積有陰極和/或陽極的部分；以及 d)i) 一個或多個圍繞所述通道周緣的密封，其防止液體電解質漏入至所述通道中，以及位于所述通道的一個或多個中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電化學電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產生的壓力，或ii)位于一個或多個通道中的支柱，其每一端部具有覆蓋通道和單極板外部的密封表面的部分，所述部分與用于橫切通道的孔相鄰，以及施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電化學電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產生的壓力，其中該支柱由任何能夠耐受曝露于電解質的材料制造，以及其中該支柱防止電解質進入至通道中； 2)c)包括熱塑性聚合物的薄膜，其設置為圍繞極板堆疊邊緣的整個周緣，以形成圍繞極板邊緣的周緣的密封，該密封防止電解質流至極板堆疊外； 3)其中分隔器為一薄片的形式，該分隔器使其周緣粘附至一框架，其中該框架適配為與電池極板的襯底的周緣相鄰；以及 4)c)一集成的通道，其與排氣孔連通，該排氣孔與電化學電池單元連通。
2.根據權利要求1所述的制品，其中所述單極板和雙極板的襯底包括由熱塑性聚合物制成的薄片。
3.根據權利要求1或2所述的制品，其中圍繞極板堆疊的整個周緣設置有包括熱塑性聚合物的薄膜，以形成圍繞極板邊緣的密封，該密封防止電解質流至極板堆疊外。
4.根據權利要求1-3任一項所述的制品，其中所述制品包括圍繞橫切通道周緣的密封，以及包括一個或多個薄膜。
5.根據權利要求1-4任一項所述的制品，其中所述制品不包括圍繞橫切通道周緣的密封，所述支柱包括，當其暴露于電解質時，保持其結構完整性的材料，該材料為非導電的且密封橫切通道，以防止電解質進入至該通道內。
6.根據權利要求1-5任一項所述的制品，其中所述覆疊部分由支柱的端部上的螺帽和/或螺栓頭形成，或由模制的熱塑性聚合物形成。
7.根據權利要求1-6任一項所述的制品，其中所述雙極板包括聚合物襯底，其具有多個穿過該襯底的開口，每一開口與襯底的兩面連通，其中該開口中的一個或多個填充有導電材料，所述導電材料與襯底的兩面均有接觸。
8.根據權利要求1-7任一項所述的制品，其中所述制品進一步包括一個或多個閥門，所述閥門適配為，當密封的雙極板堆疊中的壓力達到一預定的壓力水平時，釋放該壓力，該壓力水平低于所述制品出現損壞時的壓力。
9.根據權利要求1-8任一項所述的制品，其中所述支柱為注塑成型于所述橫切通道中。
10.根據權利要求1-9任一項所述的制品，其中所述襯底包括一個或多個熱固性聚合物，且圍繞該熱固性聚合物的周緣附接有一個或多個熱塑性聚合物。
11.根據權利要求1-10任一項所述的制品，其中所述薄膜具有一前緣和一后緣，以及其前緣和后緣彼此熔融接合，從而所述薄膜形成圍繞一個或多個極板堆疊的周緣的密封，由此電解質不從所述堆疊內部流至薄膜外部。
12.根據權利要求1-11任一項所述的制品，其中所述薄膜和/或支柱通過模制而成。
13.根據權利要求1-12任一項所述的制品，其中所述薄膜和/或支柱通過注塑成型而制成。
14.根據權利要求1-13任一項所述的制品，其中所述分隔器和電池極板具有穿其而過的一個或多個孔，其中該孔包含位于其中的襯墊，該襯墊適配為配對形成一橫切通道，該橫切通道穿過由電池極板和分隔器組成的堆疊。
15.根據權利要求1-14任一項所述的制品，其中所述分隔器的框架和襯墊為模制至所述分隔器。
16.根據權利要求1-15任一項所述的制品，其中所述電池極板的襯底圍繞其周緣具有凸起的表面，其適配為與粘附至所述分隔器的框架相鄰。
17.根據權利要求1-16任一項所述的制品，其中一閥門連接至所述集成的通道。
18.根據權利要求1-17任一項所述的制品，包括b)—個或多個分隔器，所述分隔器具有設置在每一對電池極板之間的集成的框架。
19.根據權利要求1-17任一項所述的制品，包括:c)所述的一個或多個電池極板堆疊具有多個通道，所述通道橫切地穿過極板上沉積有陰極和/或陽極的部分；以及d) i) 一個或多個圍繞該通道的周緣的密封，所述密封防止液體電解質漏入至該通道中，以及位于該通道的一個或多個中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電化學電池單元的裝配和操作期間由該電池極板堆疊所產生的壓力，或ii)位于一個或多個通道中的支柱，其每一端部具有覆蓋通道和單極板外部的密封表面的部分，所述部分與用于橫切通道的孔相鄰，以及施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電化學電池單元的裝配和操作期間由該電池極板堆疊所產生的壓力，其中該支柱由任何能夠耐受曝露于電解質的材料制造，以及該支柱防止電解質進入至通道中。
20.根據權利要求1-17任一項所述的制品，包括:a)c)—薄膜，其包括圍繞極板堆疊邊緣的整個周緣的熱塑性聚合物，以形成圍繞極板邊緣的周緣的密封，該密封防止電解質流至極板堆疊外。
21.根據權利要求1-17任一項所述的制品，其包括:一薄片形式的分隔器，其周緣粘附至一框架，其中該框架適配為與電池極板的襯底薄片的周緣相鄰。
22.根據權利要求1-17任一項所述的制品，包括c)與排氣孔連通的集成的通道，該排氣孔與電化學電池單元連通。
【文檔編號】H01M2/10GK103959507SQ201280052008
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年4月16日 優先權日:2011年10月24日
【發明者】E·O·謝弗二世, D·霍布迪 申請人:高級電池概念有限責任公司