[发明专利]多区域电池隔离件

说明书

技术领域

本发明涉及电池、电池隔离件以及相关方法。

背景技术

电池通常用作能量源。通常，电池包括负电极和正电极。负电极和正电极通常设置在电解介质中。在电池放电期间，发生化学反应，其中活性正电极材料被氧化并且活性负电极材料被还原。在反应期间，电子从正电极通过负载流向负电极，电解介质中的离子在电极之间流动。为了防止活性正电极材料和活性负电极材料的直接反应，电极通过隔离件彼此机械地且电学地隔离。

一种类型的电池为铅酸电池。在铅酸电池中，铅通常是活性正电极材料，二氧化铅通常是活性负电极材料。(在铅酸电池中，电极通常被称为“极板”)。一般来说，铅酸电池也包含硫酸，硫酸充当电解质并参与化学反应。

由玻璃纤维构成的垫可用作隔离件。玻璃纤维垫隔离件在电解质填充中具有关键作用。这种材料的物理特性的任何变化都会大大改变填充并成形的电池的品质。隔离件结构、压缩度和纤维组成对未填充元件接受电解质的程度有重要影响。虽然对于延长的寿命需要高水平的压缩，这可能使填充和形成过程更加困难。当隔离件被压缩时，孔径减小，同时隔离件中空隙或空体积的产生更加受到限制。这将使填充过程更加困难。

当将电解质添加到电池中时，理想的情况是所有区域都通过相同量和浓度的酸尽可能地润湿，使得当填充过程完成时，电解质在整个极板堆叠件中的分布完全均匀。这种理想情况在实践中是困难的或不可能实现的，因为隔离件和极板表面之间对电解质存在动态竞争。当电解质渗入到极板堆叠件中时，被隔离件阻挡(毛细管力倾向于相当强烈地阻挡电解质)，并且同时电解质被硫酸与板的放热反应PbO+H₂SO₄＝＞PbSO₄+H₂O(简单化学反应)耗尽。由于与铅氧化物发生放热反应，随着液体前沿渗入堆叠件中越深，其变得更加稀释，并且也变得更热。潜在的威胁之一是形成水合作用短路(hydration short)/枝晶。随着酸与铅氧化物反应，硫酸电解质逐渐变稀。硫酸铅相对可溶于酸强度低且接近中性pH的热电解质中，并且溶解的硫酸铅会扩散到隔离件中。这将加速铅枝晶和/或水合作用短路的形成。在形成过程中可能会发生短路并被检测到，或者更微妙地，由于形成通过隔离件结构的铅枝晶，电池将在运行时过早失效。如果填充过程差或不完整，填充后单个单元也可能具有“干区域”。这些差的湿润区域可能不包含酸或水(完全干的)、稀的酸或仅水。这些干区域在成形期间和之后将缓慢变湿，但是由于未成形的活性材料迫使所有电流仅流过电极栅，可能导致显著的电极栅腐蚀。

在放电期间，电解质中的硫酸被消耗，并产生水，稀释酸浓度并导致电解质的比重减少。在充电期间，分别在负极板和正极板中形成铅和铅氧化物，导致纯硫酸的释放。由于纯硫酸的高比重，其倾向于在电解质中沉淀到底部(或“分层”)，称为“酸分层”现象。在分层的电池中，电解质集中在底部，使电池单元的上部变空。上面的轻酸限制板的活化，促进腐蚀并降低性能，而底部高的酸浓度使得电池看起来比起实际更多地充电，并且人为地提高开路电压。

不幸地，改善电池性能和/或寿命的设计或材料改变，例如表现出耐酸分层的隔离件，通常也可能趋于使得适宜的填充更困难。

发明内容

需要一种改善酸填充并由此改善电池性能和循环寿命的电池隔离件。由设置在包含细纤维的两个外围纤维区域之间的具有规定厚度且包含粗纤维的中间纤维区域构成的电池隔离件(“3-区域隔离件”)可以通过提高酸向内部区域的扩散来改善酸填充和板成形。在某些实施方案中，由于这种隔离件改善的润湿性，硫酸的密度或浓度在整个隔离件本体中保持在大致恒定的水平。结果，可获得均匀量和浓度的酸以与板中的活性材料反应，从而实现均匀的板成形和均匀的活性材料利用。这可以实现电池改善的循环寿命以及降低的缺陷率。

在一些实施方案中，本发明包括这样一种认识，其中中间区域另外包含细纤维、二氧化硅或二者的这种3-区域电池隔离件可以表现出另一些优点。例如，其中中间区域另外包含一定量的细纤维的3-区域电池隔离件在仍然提供改善的酸填充速度的同时，可以表现出更大的拉伸强度。另外地，其中中间区域另外包含一定量的二氧化硅的3-区域电池隔离件在仍然提供改善的酸填充速度的同时，可以表现出提高的耐酸分层性。此外，其中中间区域另外包含一定量的细纤维和一定量的二氧化硅二者的3-区域电池隔离件在仍然提供改善的酸填充速度的同时，可以表现出更大的拉伸强度和提高的耐酸分层性。