双极电池和双极板组件 【技术领域】
本发明涉及包括在权利要求1的前序部分限定的减压装置的双极电池。本发明还涉及在权利要求8的前序部分中限定的双极板组件。
背景技术
理论上，双极电池可用于提高以重量和体积为基础的电池能量存储容量、减少封装重量和体积、提供稳定的电池性能和低内阻。
双极电池结构包括导电双极层，即所谓的双极板，它用作在电池中的相邻单电池之间的电互连以及在单电池之间的间壁。为了成功地利用双极结构，双极板必须充分地导电以从一个单电池向另一单电池传输电流、在电池环境中化学稳定、能够构成并保持对电极的良好接触、能够围绕单电池的边界电绝缘和密封以便在单电池中包含电解液。
由于充电电位能够加速双极板腐蚀，导致了这些需要更难以在可再充电电池中实现；由于电解液的蠕动本性，导致了这些需要更难以在碱性电池中实现。已经证明，实现这些特性的恰当组合是非常困难的。对于免维护操作，希望使可再充电电池在密封结构中工作。然而，密封双极设计典型利用扁平电极和层叠地单电池结构，这种结构对于保留在电池工作过程中存在并产生的气体效果差。在密封结构中，为了稳定工作，需要使在充电过程中产生的气体在单电池中化学地再结合。保留压力的要求对于稳定双极结构的设计提出了更多的挑战。
电池制造者没有商业地研制双极电池，这是因为进行密封设计始终是个问题。迄今为止，大多数的研制工作完全涉及铅/酸技术。由于电解液的流电蠕动、腐蚀情况和由电池产生的热量和压力，因此很难实现密封。其他制造者尽力实现防漏密封，并采用严格的方法，但由于热膨胀和压力变化而最终失败。在所公开的内容中，如果压力超过预定值，在各电池单电池中形成的压力可通过压力容器排放。
在传输、通讯、医学和电力工具领域中的新需求是现存电池不能达到的发电技术要求。这些包括更高的循环寿命和对迅速、有效再充电的需要。
人们认为可选择NiMH系统以满足循环寿命，但目前常规制造的成本太高。
在理想电池的再充电中，以100％的效率存储能量，当达到100％的状态时终止再充电。在大部分电池中，这可通过了解在电池温度和所需最终电压之间的关系来确定。因为电池不是100％有效的，可要求104％(对于新铅酸电池)以实现100％再充电。当铅酸电池达到完全充电时，它们表现出单电池电压相当迅速的增加。可设置电源以读取电压，并在那一点终止充电。作为选择，当达到设定电压时，可将电源设计为提供有限附加量的充电。镍镉和镍金属氢化物单电池具有不同的特性：当达到完全充电时，电压开始降低。
充电电压通常高于电池开路电压，因为它必须克服电阻损失，这一损失附加到所需电压以对单电池再充电。更高的电压量与再充电速率成比例。镍电池以低压、高温接收电流。当试图完全再充电时、或者再充电电极不均匀放电时会发生问题。
在单电池的剩余部分充电之前，具有更低电阻或完全充电的电极部分开始过充电。这些区域借助电解将充电能量转化成氧。然后，氧再结合到产生等量的热量的负极上，单电池的温度增加。在过充电和再结合的区域温度增加更大，因此再充电的增加量流过更热的区域。在这及时损坏了单电池时，也阻止了以电池电压为基础确定电池完全充电的可能。在Bronoel等人的US5344723中，公开了一种具有共用气室的双极电池，共用气室通过提供贯穿双极板(导电支撑/隔板)的开口而形成。开口还设置有疏水阻挡层，以防止电解液流过该孔。虽然解决了在单电池间有压力差的问题，但仍存在所述电池的缺点。围绕各双极板边缘的外部密封仍必须要流体密封，这是非常难以实现的。如果外部密封不是流体密封，在电极间的隔板中所含的电解液会从一个单电池迁移至另一个单电池。
需要这样一种电池：它易于以可承受的价格制造，并且它安全应对充电和放电工序。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种双极电池，优选为双极NiMH电池，与原有技术的双极电池相比，它具有改进的密封性能。
这一目的由权利要求1特征部分限定的双极电池和权利要求8特征部分限定的双极板组件实现。
本发明的优点在于，与原有技术的双极电池相比，该双极电池易于制造。
另一优点在于，制造双极电池和双极板组件的成本大幅度降低，同时保持、甚至改善了双极电池的工作性能。
从下面详细描述的双极电化学电池和双极板组件，本发明的其它目的和优点将更为明显。
【附图说明】
附图中示出的不同实施方式不是按标度或按比例的，而是为清楚的目的进行放大以指出不同的重要特征。
图1表示根据本发明的双极组件的第一实施例的平面图。
图2表示沿图1的A-A的截面图。
图3表示具有模制框的双极板组件的局部截面图。
图4表示根据本发明的双极板组件的第二实施例的平面图。
图5表示沿图4的A-A的截面图。
图6表示具有模制框的双极板组件的第二实施例的局部截面图。
图7表示根据本发明的双极电池。
图8表示根据本发明的双极电池的选择性结构。
【具体实施方式】
双极电池设计的主要优点是简单和低电阻损失。电池的部件数量比较少，仅由带有适当组件和密封元件的末端板和双极板构成。通过层叠所需数量的双极板，构成具有所希望电压的电池组。由于各双极板是导电的并不能透过电解液，因此在层叠电池时形成在单电池之间的电连接。
利用在各端部的端子，电流垂直于极板流动，这确保了均匀的电流和电压分布。由于电流路径非常短，因此明显降低了电压降。
由于除去了元件以及制造方法，因此双极板还具有明显减小的重量、体积和制造成本。
双极电池在此之前还没有在商业上得以解决的主要问题是如何在双极电池中的单电池之间获得可靠的密封。另一问题是如何避免对电池过充电并由此在单电池中产生会导致电池破裂的高压。下面列出了这些问题的解决方案。
单电池的密封对于所有类型的电池组都是极为重要的，双极电池也不例外。各单电池含有活性材料(对于NiMH，活性材料分别是氢氧化镍正极和金属氢化物储氢合金负极)、隔板和电解液。要求电解液在电极之间进行离子传输。使寿命、重量和体积最佳化的最好设计需要气体的再结合。
当对电池组充电时，它们通常产生气体。随着电池接近于完全充电，产生气体的速率增加，当电池完全充电时达到最大值。所产生的气体是氧和氢。
当作电源应用的电池组具有薄的电极。寿命长、重量轻和体积小是所需的特性，这需要密封结构。
氧会相当迅速地再结合，因此就把电池设计为：如果单电池过充电或过放电，就让氧成为首先产生的气体。这需要两个条件：
1)使负极活性材料过量，通常过量30％，以确保产生氧的正极首先产生气体。
2)提供从正极向负极的气体通道，在此处氧将再结合。通过控制在电极的孔中和穿过隔板的电解液的含量，从而获得气体通道。所有的电极表面都必须由用于离子传输的电解质薄层所覆盖，但该层必须足够薄以允许气体穿过该层扩散，必须让气体穿过整个活性层和隔板。
如果过充电，负极会产生氢。因为氢不能迅速地再结合，因此会增加单电池内的压力。氧的再结合有效地使负极以与其充电相同的速率进行放电，由此防止了负极的过充电。
与双极设计的均匀电压分布相结合的活性材料表面积增强了迅速的再结合。
双极方法确保了经过活性材料的电压降在整个面积上都是均匀的，这样整个电极就同时达到完全充电状态。这将解决在常规结构中的主要问题：部分电极过充电并产生气体，而电极的其它(偏远)区域还没有完全充电。
对在规则电池组中的单电池进行密封以包含电解液既为了单电池的特有性能、也为了防止在相邻单电池之间形成电解液路径。在单电池之间电解液路径的存在使得相连单电池的电解液以由路径(路径的长度和横截面)的电阻确定的速率释放。因为电解液路径趋于更短，因此双极电池的密封变得更为重要。应注意，本说明书的主要特点在于水平电解液阻挡层的利用，从而明显增加潜在路径长度。另一关注点在于由单电池的工作产生的热量。根据产生热量的大小，该设计必须能够释放热量并保持安全的工作温度。
如果在单电池之间形成电解液路径，通过电池的周期性完全充电，能够克服少量的单电池间泄漏。通过设定量和低速率可对电池过充电。低速率使得完全充电后的单电池在没有产生压力的情况下与气体再结合并由再结合/过充电释放热量。具有少量单电池间电泄漏路径的单电池将变得平衡。
在径向上发生在双极单电池中的热量流动，实际上优选使末端板略微绝缘，以确保它们以与电池的剩余部分相同的温度进行工作。
很少需要电池完全充电以获得其有用的功能。按照惯例过量规定并过量构成电池组。如果工作需要50AH(安培小时)，通常把该需要规定在至少高于10％。由于电池在它们的寿命期间损失了容量，按预料的损失增加了新电池的容量，造成了在此实施例中对新电池的需要可能为70AH。生产者或许具有75AH的中值设计目标以允许在制造过程中的改变。这种过量的构成弥补了由过充电引起的寿命容量恶化。
图1是平面图，图2是双极板组件的实施例的截面图(沿图1的A-A)。通常，双极板组件需要框架以在电池内构成各单电池，但为了清楚起见，图1和2中省略了框架。然而，双极电池可由没有框架的双极板组件构成，正如联系图8所描述的那样。
双极板组件包括双极板11，优选由镍或镀镍钢板制成。正极12和负极13分别连接到双极板11的各侧。将各电极设置为仅覆盖双极板11每侧的中央部分，留下的空间用于安装密封和导热装置。在电极和弹性体15之间的双极板的两侧上设置防止电解液泄漏的电解液阻挡层14。弹性体15用于在电池的内部和外部之间形成密封。弹性体设置在双极板11的两侧上的阻挡层14和边缘16之间。
在弹性体环15和电解液阻挡层14之间设置贯穿双极板的孔21。结合图3的说明，此孔21的作用更为明显。围绕双极板11的两侧上的孔21设置第二电解液阻挡层22，以消除在相邻单电池之间的电解液泄漏路径。
围绕在弹性体15和边缘16之间的周边还设置有贯穿双极板11的一连串孔17。结合图3更详细地描述双极板11中的孔17。
电极12、13可以多种方式连接到双极板11，但优选利用加压粉末把电极直接制造在双极板上，正如在相同申请人的PCT申请PCT/SE02/01359中所公开的那样，发明名称为“A method formanufacturing a biplate assembly，a biplate assembly and a bipolarbattery”。通过采用向双极板上直接压上粉末的方法，可制造具有更少活性材料的薄电极。
双极板的形状优选呈矩形以使双极板的有用面积最大化、更好地利用用于导热目的的双极板。最大热量路径将限定为该矩形的最短侧长度的一半。在此实施例中，切去了一角以提供用于孔21的空间。
电解液阻挡层14和22由合适的疏水性材料制成，例如含氟聚合物(flouropolymer)或类似材料。可将疏水性材料以液体或固体材料的方式提供给双极板，然后原位固化，这将以有效的方式将阻挡层粘接到双极板，从而防止在单电池之间的电解液泄漏。
图3表示包括框架18的完整双极板组件的局部截面图。在此实施例中，该框架18包围在双极板11的负极侧和正极侧上的弹性体环15。框架18可具有弹性，当几个双极板组件10相互层叠在一起时，该框架18可被压缩，从而提供电池内的单电池的良好密封性。可围绕电池的周边设置连杆(未示出)，从而提供获得单电池密封所需要的适当压力。
另一方面，如果框架18不是由弹性材料制成，那么必须采用最终密封材料如环氧树脂以在末端板和双极板组件之间提供密封。
框架18设置有导引装置以便更容易地对齐层叠的双极组件。这些导引装置包括设置在框架第一侧(例如对应于正极侧的一侧)上的舌部10和设置在第二侧(例如对应于负极侧的一侧)上的对应凹部20。舌部19和凹部20分别直接设置在双极板各侧上的弹性体环15之上。弹性体优选比框架18的材料更有弹性。
在框架18没有弹性的情况下，舌部19和凹部20也相互作用以提供临时密封，从而防止当提供最终组装的密封材料如环氧树脂时该材料进入单电池中。
贯穿双极板11的孔17填充有与构成框架18相同的材料，这优选通过对框架18进行注模实现，但也可以采用其它技术。提供孔17并且用注模材料填充这些孔的优点在于，外部密封件即框架18和弹性体的围绕环15容易顺应双极板尺寸的任何变化。根据在电极的充电或放电过程中产生的热量改变双极板11的尺寸。外部密封件的弹性可以在不破坏相邻单电池之间的密封的情况下顺应这种改变。
作为优选，框架18不延伸到双极板11中的孔21上。围绕在双极板中孔21的两侧上的孔设置疏水性材料22。疏水性材料用于防止通过在电池中相邻单电池之间的孔21形成电解液泄漏路径。当几个双极板组件相互层叠时，正如结合图7所描述的那样，形成了共用气体空间，该空间消除了在双极电池的单电池之间的压力差。
弹性体环15不一定提供在双极板组件上。贯穿孔21的互连使在电池中相邻单电池的压力相等，由此平衡电池内部的压力。
图4是平面图，图5是双极板组件的第二实施例的截面图(沿图4的A-A)，为了清楚起见，这里省略了框架。
双极板组件包括双极板24，优选由镍或镀镍钢板制成。正极12和负极13分别连接到双极板24的各侧。将各电极设置为仅覆盖双极板24每侧的中央部分，正如结合图1和2描述的那样。在电极和双极板24的边缘16之间的双极板两侧上设置防止出现电解液泄漏路径的电解液阻挡层14。
在边缘16和电解液阻挡层14之间设置贯穿双极板的孔21。结合图3描述此孔21的作用。围绕双极板24的两侧上的孔21设置第二电解液阻挡层22，以消除在相邻单电池之间的电解液泄漏路径。在孔21的内壁面上还设置有另外的第三电解液阻挡层23。
在此实施例中，围绕双极板24的周边没有设置孔。并且省略了在第一实施例(参见图1-3)中存在的弹性体环。
与第一实施例的双极板11相比双极板24的尺寸减小，但电极切去的一角的尺寸是相同的，以为孔21提供空间。
电解液阻挡层14、22和23由合适的疏水性材料制成，例如上述的含氟聚合物(flouropolymer)或类似材料。第三阻挡层23的添加进一步减少了在电池的相邻单电池之间形成电解液路径的可能性。
图6表示包括框架18的完整双极板组件的局部截面图。在此实施例中，框架18仅包围双极板24的边缘和双极板各侧的一部分。框架18可具有与结合图3的描述相同的性质。
框架18设置有导引装置以便更容易地对齐层叠的双极组件。这些导引装置包括设置在框架第一侧(例如对应于正极侧的一侧)上的舌部19和设置在第二侧(例如对应于负极侧的一侧)上的对应凹部20。
作为优选，框架18不延伸到双极板24中的孔21上。在例如第二阻挡层22的两侧上围绕孔21设置疏水性材料，在例如第三阻挡层23的孔21的内壁面上设置疏水性材料。疏水性材料用于防止通过在电池中相邻单电池之间的孔21形成电解液泄漏路径。如上所述，第三阻挡层的添加进一步减小了形成电解液泄漏路径的可能性。
虽然仅描述了贯穿双极板11和24的一个孔21，但显然贯穿双极板可设置多个孔。
图7表示具有七个单电池的双极电池60的截面。电池包括正末端板61和负末端板62，正、负末端板61、62分别具有正极12和负极13。在两个末端板61、62之间以三明治结构相互层叠了六个双极板组件。在构成单电池的各相邻正极12和负极13之间设置隔板50，隔板包括电解液和预定百分比的气体路径，对于气体路径约5％是典型值。
从图中明显看出，所有的单电池通过在相邻单电池之间设置的孔21分享共用的气体空间，仅其中一些被编号。如果一个单电池中的电极先于其它单电池开始产生气体，此压力将完全分布在整个共用空间内。
如果在共用空间内的压力超过预定值，减压阀70就会打开以将共用气体空间与外部环境相连。减压阀70贯穿一个末端板(在此实施例中是负极末端板62)设置，并包括输送通孔71，该通孔71具有疏水性阻挡层72，此阻挡层72在共用气体空间的内部并围绕开口。
此外，还贯穿一个末端板(在此实施例中是正极末端板61)安装压力传感器73，用以测量在单电池内部的实际压力。围绕末端板61、62和层叠的双极板组件设置外筒66，以在结构上保持适当的压力，从而获得密封的容器。
对于本领域普通技术人员而言，减压阀和压力传感器是很容易获得的，因此不再详细描述。
图8表示根据本发明的双极电池80的选择性结构，包括正极末端板61、负极末端板62和六个层叠双极板组件。这种电池的结构与结合图7描述的电池的结构的不同点在于下述方面。围绕孔21没有疏水性阻挡层。围绕在各双极板81的负极侧上的负极13仅存在一个电解液阻挡层14，该阻挡层14防止电解液从一个单电池经过孔21达到另一单电池。显然，电解液阻挡层14可以仅围绕正极12而非负极13进行设置。电解液阻挡层14也可以同时围绕正极12和负极13进行设置，但为了防止电解液从一个单电池的正极流向相邻单电池的负极，一个电解液阻挡层就够了。如果围绕电极12、13都存在电解液阻挡层(未示出)，电解液阻挡层14还可以防止电解液流过各双极板81的边缘16。由于围绕至少一个电极设置电解液阻挡层14的实际情况，可以采用没有框架的双极板组件以构成双极电池80。如果不需要框架，可以减少双极板81的厚度。此外，由于不需要在各单电池之间形成气体密封，因此作为连续、粘接的包封(优选仅包括玻璃纤维和环氧树脂83)的外部密封件是必须的，以便构成功能性电池。在双极板中设置的孔21使得在相邻单电池之间的压力差为零。
在双极板81中设置的孔21建立了共用气室，如结合图7描述的那样，电解液阻挡层14防止电解液从一个单电池流向另一个单电池。作为优选，将具有在负极末端板62中的输送通孔71的减压阀70与用于监测电池内部压力的压力传感器73一起设置。