電功率存儲設備的制造方法
【專利說明】電功率存儲設備
[0001 ] 本申請是申請日為2009年11月18日、國際申請號PCT/US2009/064992、國家申請號為200980146053.1、發明名稱為“電功率存儲設備”的發明專利申請的分案申請。
[0002]相關申請
[0003]本申請要求享有2008年11月18日提交的美國臨時申請61/115,815和2009年2月9日提交的美國臨時申請61/150,987的優先權，在這里以引用的方式將二者全部并入本文。
技術領域
[0004]本發明涉及電化學電池、電化學雙層電容器以及非對稱電容器中的纖維(例如，毛細纖維)的使用。
【背景技術】
[0005]已知提供諸如電化學電池和電容器之類的電功率存儲設備在諸如汽車之類的車輛中使用。例如，已經在啟動、點火和引燃(SLI)應用中使用鉛酸電池。
[0006]最常見的兩種電功率存儲設備是電池和電容器。通過生成施加到也可以用作電荷收集器的基底(例如，柵格、板或者絲網)的鉛膏來形成常規的鉛酸電池電極。隨著鉛膏的干燥，在電池電解質可能進入的鉛膏內形成開孔，這增加了柵格的反應面積并且增加了其電荷能力。然而，過量的孔隙率降低了電極的結構整體性。此外，由于常規的電極具有有限的孔隙率，大量的活性材料不能接近電解質并且由于其對于反應不可用而未被充分利用或者基本上被浪費。典型地，常規鉛酸電極中的大約一半的鉛不可用或者未被使用。在整個壽命期間，電池會多次進行充電和放電，這也會隨著供應電流重復反向的還原-氧化反應而使電極降質。隨著時間的過去，電極的一部分可能變得與電極的剩余部分電斷開。電極的結構整體性也隨著時間惡化。為了將電極材料保持在適當的位置，可以使用紗幕層(scrim layer)(例如，纖維網眼)。可以在施加活性材料膏之前在電荷收集器上放置紗幕層和/或在施加活性材料膠之后放置在該膏上。紗幕層可以幫助將電極保持在一起，但是不改善孔隙率或者增加反應性。
[0007]電容器以兩個導體之間的電場形式存儲功率。典型的電容器使用薄板的堆疊(交替的電容器板和電介質)或者薄片的卷(交替的電容器和電介質片卷在一起)。能量通常以具有相等幅值和相反極性的電荷的形式存儲在由電介質材料分隔開的相鄰板或者片中。在典型的電容器中，電流從電容器表面流經整個電容器板，要求所述板是導電的以降低電阻損失，并且足夠厚而不會過熱和熔化。這樣的要求對電容器的功率存儲與重量比提出了不期望的限制。電容(即，存儲在每一個板上的電荷量)與板表面面積成正比并且與板之間的距離成反比。因而，增加電容器存儲能量的能力通常要求增加板尺寸和/或降低板之間的距離。然而，增加板尺寸增加了電阻和過熱問題，并且降低板間隔增加了電荷直接經過板之間(即，短路)，將其燒毀并且使電容器不能夠保持電荷的風險。
[0008]電化學雙層電容器(“EDLC”)是能夠比傳統的靜電電容器在每單位重量和每單位體積上存儲更多能量的功率存儲設備。而且，EDLC通常能夠以比常規的可再充電電池更高的功率額定傳輸所存儲的能量。常規的EDLC使用碳作為電極中的活性材料。常規的EDLC包括通過多孔隔板隔離而免于電接觸的兩個多孔電極。隔板和電極都使用電解質溶液浸泡。這允許離子電流通過隔板在電極之間流動，但是防止了電流短路電池。電流收集柵格耦合到每一個電極的后面。EDLC在浸入在電解質中的兩個電極之間存在電勢時形成的極化液體層中存儲靜電能量。在電極兩端施加電勢時，由于在所施加的電場下的電荷分離，并且還由于電解質分子在電極的整個表面上的雙極取向和排列，通過電解質離子的極化在電極-電解質界面處形成正負電荷的雙層。在電荷存儲機制中不涉及還原-氧化反應。
[0009]非對稱電化學電容器使用電池電極用于電極之一。電池電極與碳電極相比較具有大的容量，使得其電壓不隨著電荷明顯改變。這允許更高的整體電池電壓。非對稱電容器材料的示例包括具有碳的PbO2和具有碳的N10H。
[0010]基本和其它有利特征概況
[0011]存在對于具有更大的功率存儲能力、降低的重量和/或改善的可循環性的電功率存儲設備的顯著需要。期望提供一種例如在本申請中公開的包括這些或者其它有利特征中的任意一個或者多個的電池、電容器、非對稱電容器等類型的功率存儲設備:
[0012]1.用于功率存儲設備的電極在不降低結構整體性的同時具有增加的磁導率；
[0013]2.用于功率存儲設備的電極在不降低磁導率的同時具有增加的結構整體性；
[0014]3.在不降低功率能力的同時使用較少活性材料的功率存儲設備；
[0015]4.包括作為電化學電池和電容器存儲能量的電極的功率存儲設備；
[0016]5.比常規的功率存儲設備具有更高的功率尺寸比的功率存儲設備；
【發明內容】
[0017]示例性實施例涉及一種功率存儲設備，所述功率存儲設備包括至少一個正電極、至少一個負電極、以及將正電極與負電極分隔開的至少一個隔板，其中所述至少一個負電極或者至少一個正電極中的至少一個包括高比表面積的纖維。
[0018]另一示例性實施例涉及一種電極，所述電極包括電荷收集器柵格、涂覆在所述電荷收集器柵格上的電極活性材料、以及高比表面積的纖維。
[0019]另一示例性實施例涉及一種電極，所述電極包括電荷收集器，所述電荷收集器包括由高比表面積的纖維構成的氈以及涂覆在所述氈上的電極活性材料。
[0020]在下面根據本發明的各種設備、結構和/或方法的各示例性實施例的詳細描述中描述了根據本發明的系統和方法的各實施例的這些和其它特征和優點，并且通過所述詳細描述，所述特征和優點將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0021 ]將參考附圖詳細描述根據本公開的系統和方法的各示例性實施例，在附圖中:
[0022]圖1是根據示例性實施例包括電池模塊的車輛的透視圖；
[0023]圖2是根據示例性實施例的電池模塊的截面分解圖；
[0024]圖3是根據本發明的三葉型纖維的示例性實施例的截面圖；
[0025]圖4是根據示例性實施例的四葉型纖維的截面圖；
[0026]圖5是根據示例性實施例的圓形纖維的截面圖；
[0027]圖6是根據示例性實施例加載有碳并且涂覆有電池電極活性材料的三葉型纖維的截面圖；
[0028]圖7是根據第一示例性實施例具有一氈毛細纖維的電極的部分透視圖；
[0029]圖8是根據第二示例性實施例加載有碳和電解質并且涂覆在電池電極活性材料中的三葉型纖維的截面圖；
[0030]圖9是根據示例性實施例具有涂覆在纖維的內部上并且滲透電解質的電極活性材料的纖維的截面圖；
[0031]圖10是根據示例性實施例使用根據圖9的實施例的纖維的雙電化學電池和EDLC的正視圖；
[0032]圖1lA是根據示例性實施例的電池柵格的正視圖；
[0033]圖1lB是根據示例性實施例由高比表面積纖維覆蓋的圖1lA的電池柵格的正視圖；
[0034]圖1lC是根據示例性實施例由電極活性材料覆蓋的圖1lB的電池柵格的正視圖；
[0035]圖12A是根據示例性實施例涂覆有電極活性材料的具有形狀的纖維的截面圖；
[0036]圖12B是根據示例性實施例涂覆有可滲透絕緣體的圖12A的纖維的截面圖；
[0037]圖12C是根據示例性實施例由圖12B的纖維制成的氈的透視圖；
[0038]圖13是根據第一示例性實施例的雙組件細絲的端視圖；
[0039]圖14是根據第二示例性實施例的雙組件細絲的透視圖；
[0040]圖15是根據第三示例性實施例的雙組件細絲的透視圖；
[0041]圖16是根據第四示例性實施例的雙組件細絲的側視圖；以及
[0042]圖17是根據第五示例性