可用于双极电池组件的电池极板及制备方法与流程

本公开总体涉及可用于双极电池组件的电池极板及此类组件的制备方法。本公开特别可用于具有非平面结构的电池极板的制备。

背景技术：

1、双极电池在本领域中是已知的，参见tatematsu us2009/0042099，其全文以引用方式并入本文。双极电池相对于其他电池设计提供优势，诸如可扩缩性、相对高的能量密度、高功率密度以及设计灵活性。双极电池包括多个双极板和两个单极端板。双极板和单极板是通过将活性材料施加在基板的一个或两个相反表面上来形成。双极板是通过将阴极材料(常常称为正极活性材料(pam))施加在基板的一个表面上并将阳极材料(常常称为负极活性材料(nam))施加在基板的相反表面上来形成。单极板是通过将活性材料(正极活性材料或负极活性材料)施加在基板的一个表面上以分别制成阴极电极或阳极电极来形成。导电片可设置在基板与阳极材料或阴极材料之间。双极板以堆叠布置，使得一个极板的阳极材料面向下一个极板的阴极材料。在大多数组件中，相邻极板之间定位有电池隔板，所述电池隔板允许电解质从阴极材料流到阳极材料。极板之间的空间中设置有电解质，所述电解质是允许电子和离子在阳极与阴极材料之间流动的材料。双极板之间设置有隔板和电解质的极板的相邻表面形成电化学电池单元，其中在阳极材料与阴极材料之间交换电子和离子。电池的结构被布置成使得由双极板形成的每个电池单元被密封以防止电解质流出电池单元。用于密封每个电化学电池单元的结构与极板的在基板上不具有阳极或阴极材料的部分接触。此外，电池隔板可延伸超出基板的其上布置有阳极和阴极材料的部分，以帮助密封电池单元。每个电池单元具有连接到电池单元的电流导体，以用于将电子从电池单元传输到一个或多个端子，电子从一个或多个端子传输到负载，所述负载实质上是以电力形式使用电子的另一系统。在常规设计中，电池极板的堆叠设置在壳体中，所述壳体围绕所述极板的堆叠密封并且具有定位在电池外侧的一对或多对正负极端子。每一对都连接到电流导体，所述电流导体进一步连接到如本文所描述的多个电池单元中的一个。

2、对双极电池性能至关重要的是对双极板或单极板的基板上的糊料重量和糊料厚度的控制。传统上，使用涂浆设备将活性糊料施加到铅合金板栅，当适当的金属板栅在皮带支撑下通过涂浆设备下方时，涂浆设备将糊料泵送通过孔口。所述过程被设计来将糊料施加至板栅的厚度，以控制糊料的厚度和重量。皮带式涂浆设备可用于将活性糊料涂覆在双极板上。通常，双极板被设计为平坦极板。平坦双极板可通过糊料盒下方，所述糊料盒安设有桩靴(shoe)以控制糊料高度。通常，首先施加正极活性材料，然后将双极板翻转并使其通过第二涂浆线下方以沉积负极活性材料。可使用皮带式涂浆设备来涂覆具有糊料框架的双极板。可使用皮带式涂浆设备来涂覆具有糊料框架的单极板。在双极和/或单极板通过糊料盒下方时，将糊料沉积到由双极和/或单极板的框架形成的槽袋中。可能需要向槽袋的底部添加垫片，以使双极板在其通过糊料盒下方时在以高压将糊料泵送到双极板上时的挠曲最小化。可翻转双极板，并且可在极板的反面上将糊料施加到槽袋。当电池极板通过盒下方时，双极板框架的前缘和后缘得以涂布有糊料薄层，所述糊料薄层随后必须移除以使所形成电池在操作期间发生短路的可能性最小化。一些群组已经对有时由塑料制成的板栅进行涂覆，所述板栅被设定大小以配合到双极板中或双极板上。通过这样做，避免了必须清洁框架的前缘和后缘；然而，缺点是增加了成本并且降低了能量密度。可用于这些过程的所得双极板的设计是没有突出部的平面表面，并且另外，任何平面特征通常与糊料厚度一致。因此，需要二次清洁操作以确保不存在可能干扰双极板的密封或由双极板形成的电池的操作的糊料粉尘或膜。这些过程对于设置在电池极板堆叠的端部处的单极板的制造也存在类似的问题。

3、所需要的是允许制备以下双极板和单极板的过程：其中电池极板可以是非平面的，包括弯曲或部分弯曲的表面，具有基本上不含糊料和来自糊料的粉尘的突出超出糊料的突出部，具有增强糊料与基板的结合的嵌入极板中的突出部，等等。所需要的是有助于此类电池极板的制备的过程。

技术实现思路

1、本公开涉及一种电池极板，其包括：a)基板，所述基板具有与第二表面相反的第一表面和一个或多个非平面结构；b)一种或多种活性材料，所述一种或多种活性材料设置在所述第一表面、所述第二表面、或所述第一表面和所述第二表面两者上；其中所述电池极板具有以下特征中的一者或多者：i)从所述基板的所述第一表面、所述第二表面或两者延伸的一个或多个突起部，所述一个或多个突起部设置在所述活性材料内并且不延伸超出所述活性材料；ii)从所述基板延伸的一个或多个突起部，所述一个或多个突起部突起超出所述活性材料，并且其中超出所述活性材料的所述一个或多个突起部的表面基本上不含所述活性材料或由所述活性材料形成的粉尘；和/或iii)围绕所述基板的周边的框架，其中所述框架或其一部分在横向于所述活性材料沉积在其上的所述一个或多个表面的方向上突起超出所述活性材料，并且基本上不含所述活性材料或由所述活性材料形成的粉尘；并且其中所述电池极板适于形成电池组件中的一个或多个电化学电池单元的一部分。

2、本公开进一步涉及其中所述电池组件包括一个或多个的多个所述电池极板的堆叠，所述一个或多个堆叠包括：a)一个或多个双极板，所述一个或多个双极板包括所述基板，所述基板具有：i)设置在所述第一表面上以充当阳极的第一活性材料跟与所述第一表面相对地结合到所述第一活性材料的第一传递片；以及ii)设置在所述第二表面上以充当阴极的第二活性材料和与所述第二表面相对地结合到所述第二活性材料的第二传递片；b)第一单极板，所述第一单极板包括所述基板，所述基板具有设置在所述第一表面上以充当阳极的第一活性材料跟与所述第一表面相对地结合到所述第一活性材料的第一传递片，而所述相反的第二表面不含任何活性材料；以及c)第二单极板，所述第二单极板包括所述基板，所述基板具有不含任何活性材料的第一表面，以及设置在所述第二表面上以充当阴极的第二活性材料和与所述第二表面相对地结合到所述第二活性材料的第二传递片；以及d)设置在每一对相邻的电池极板之间的液体电解质，其中所述液体电解质与定位在所述一对电池极板之间的空间中的所述阳极和所述阴极一起起作用以形成电化学电池单元；其中所述多个电池极板被布置成使得所述基板的其上设置有所述阴极的表面面向另一个电池极板的其上沉积有所述阳极的表面，并且其中所述第一单极板和所述第二单极板定位在每个电池极板堆叠的相反端部处；并且其中每个传递片包括多孔材料，所述多孔材料适于防止所述活性材料穿透所述传递片的孔，同时允许液体电解质穿过所述传递片。

3、本公开进一步涉及一种组装电池极板的方法，其包括：a)将传递片放置在电极模具中的活动板上，其中所述活动板与所述电极模具中的开口相对地设置并且能够在所述电极模具中的所述开口的方向上移动并穿过所述电极模具中的所述开口；b)将呈糊料形式的活性材料注射到所述活动板上的所述传递片上，使得所述活性材料形成呈由至少所述活动板形成的形状的层；c)将基板放置在所述模具中的所述开口上方，使得所述基板的所述表面中的期望将所述活性材料定位在其上的一个的区域与所述模具中的所述活性材料对齐；d)使所述活动板穿过所述模具的所述开口伸出，直到所述活性材料与所述基板接触并与其结合；以及e)使所述活动板远离所述基板回缩到所述模具中，使得所述活性材料保持结合到所述基板极板的所述表面中的一个，并且所述传递片保持结合到所述活性材料的与所述活性材料的结合到所述基板的所述表面中的一个的表面相反的表面。

4、本文所公开的电池极板可用于电池组件，所述电池组件用于存储电力并产生电力以用于在各种环境中使用。所公开的电池组件以较低的所需体积和重量提供高功率输入，由此提供高功率密度。所述电池组件被设计为可承受操作期间产生的压力和热量，而不对制品的外表面造成过度损坏，并且使得液体电解质包含在制品中。所公开的电池极板和组件可使用常规的材料、过程进行组装，基于可用的包装空间而适应于不同形状的空间，并允许按比例缩放大小以递送变化的能量水平。装置不要求具有指定的顶部部分和底部部分要求使得一个部分在重力方向上向下指向的取向。所公开的电池极板和方法允许制备没有活性材料(例如，糊料)或来自活性材料的粉尘接触基板的一个或多个非平面结构的电池极板。所公开的电池极板和方法的有利之处在于：具有不含活性材料的非平面结构以允许与一个或多个其他非平面结构形成密封而在其间没有活性材料。通过在非平面结构之间不含活性材料，防止了液体电解质和/或气体的潜在泄漏路径，并且因此避免了电池组件的潜在短路。所述方法需要较少的资金来运行并允许较高的吞吐量。特别地，用于将糊料施加到表面的循环时间可为约2秒或更大、约15秒或更小、约10秒或更小、或甚至约6秒或更小。