[发明专利]使用导电陶瓷纤维的电能装置

说明书

要求1995年9月29日提交的临时申请60/004553的优先权。

发明领域

本发明是关于一些电化学装置，例如电池类、燃料电池类、电容器类及传感器类，它们在其中使用各种导电陶瓷材料、纤维、粉末、芯片及基质以改善电化学装置的性能。

背景技术

涉及在高度腐蚀环境中输送电流或能使金属导电体性能衰减的环境中输送电流，有许多应用。最值得注意的是在高度腐蚀条件下和高温下操作的一些电化学装置。这些应用的例子是，电极用于氯-碱电池中来制取氯气、电极用于金属回收、电极用于氢/氧燃料电池、电极用于生产臭氧、水的电解以及电极用于高温固体氧化物燃料电池。这些应用的大多数都涉及电极与电解质(液)接触的条件不利，这些条件会使电极在长期使用过程中变得无效。其有效性的损失可以是逐渐的，这种损失表现为电极的电流负载量减低。当电极用于电流负载应用情况下会使其变得无效的实例条件类型如下。

一种这样的条件是涉及电极受到腐蚀气体的化学侵蚀，腐蚀气体是在使用过程中发生分解而从电解质中逸散出来。例如一种高度腐蚀性物质氯气，从含氯电解质水溶液中，例如在氯-碱电池中，逸放出来，即为一例。

另一类条件是涉及电极与电解液中的阴离子结合而在其表面上形成一层不溶层使电极发生钝化。当电化学反应产物不能从电极表面扩散开来，并且因而产生电化学位点和/或孔隙的堵塞时，这种钝化状态便会发生。最后结果是电极电流负载容量的减小。这种钝化的一例，是二氧化铅电极在硫酸水溶液中的情况。

使电极变得无效的另一类条件是涉及电极遭受电解质的溶解。锌电极用于氢氧化钾水溶液中便是一例。现在有各种类型的电池诸如二次(可再充电)电池：铅酸(Pb/PbO₂)，NaS，Ni/Cd，NiMH(金属氢化物)，Ni/Zn，Zn/AgO，Zn/MnO₂，Li/SO₄，Zn/Br₂；和原电池(非再充电池)：Zn/MnO₂，AgCl/Mg，Zn/HgO，Al/空气(O₂)，Zn/空气(O₂)，Li/SO₄，Li/Ag₂ CrO₄以及Li/MnO₂等。

虽然各种各样的电池组都可买到，但铅酸电池仍保持优势用于诸如开动内燃机、电力车辆动力源以及工业与军事应用的可携带的电源和事故急用电源。

铅-酸电池组包括一阴极，该阴极包含一铅合金栅极(活性物质载体结构和电网络结构与电池终端接触)，在其上有PbO₂活性物质；和一阳极，该阳极包含在栅极上的海锦状铅。在栅极上的活性物质叫做极板，而在电学上阳极(Pb)板，是负性的，而阴极(PbO₂)板是正性的。一隔离器，为玻璃纤维或者多孔塑料，当这些极板置于硫酸电解质中时，该隔离器是用来将阴极与阳极分开，防止直接接触。对铅-酸电池组来说，额定容量(安培/小时)决定于电池组各极板中电化学活性物质的总量、硫酸电解质的浓度和含量、放电速率以及活性物质(阴极或PbO₂通常是限制因素)的百分利用率(活性物质转变成为安培/小时)。

在铅酸电池组放电过程中，铅和二氧化铅活性材料便转变成硫酸铅。硫酸铅能形成一种不需要的绝缘层或纯化层于阴极活性材料粒子周围，从而减少放电过程中活性材料的利用率。这种钝化层可能是由于不适当的电池组放电、低温操作、和/或过高的(高电流)放电速率等的结果。为了增加阴极活性材料的利用率，各种增加阴极活性材料孔隙度的办法是有效的，因增加孔隙度会增加活性材料与硫酸接触的量和/或增加活性材料的导电率而减少活性材料粒子的电阻和电绝缘。然而，提高阴极活性材料孔隙率有增加材料疏松度的倾向，并有可能造成活性材料从极板上流失以及活性材料与栅极结构间的电绝缘。用玻垫包覆阴极板能使疏松的活性材料紧密地保持在极板上和减少活性材料沉积于电池容器底部(电化学上损失阴极材料)的倾向。增加导电材料(炭、石油焦炭、石墨)以增加阴极活性材料的导电率是已知的，但这些材料在充电过程中会从阴极上产生的氧中迅速衰变。

由于铅-酸电池组阳极是高度导电的，故用于海绵状铅活性材料的添加剂曾经集中于改进低温电池性能和循环寿命。向阳极中的基本添加剂是膨胀剂，包括灯黑、硫酸钡以及与氧化铅(PbO)载体相混合的木质素磺酸等。向海绵铅内添加膨胀剂会抑制孔隙度的稠密化或者减少海绵状铅的孔隙度。如果阳极活性材料变得太紧密，便不能在低温下操作和不再能维持实用的电流放电。