усовершенствованная конструкция батареи

Формула изобретения

1. Батарея для подачи энергии на электрическую схему, имеющая первый вывод и второй вывод, содержащая удлиненный анод, включающий первый реагент, причем анод выполнен с возможностью подсоединения к первому выводу схемы, удлиненный катод, расположенный смежно и на расстоянии от анода, катод включает в себя второй реагент и выполнен с возможностью подсоединения ко второму выводу схемы, сепаратор, расположенный между анодом и катодом, который обеспечивает электрическую изоляцию между анодом и катодом, но допускает проведение электрохимической реакции, включающей перенос ионов между анодом и катодом, перенос ионов обуславливает прохождение электрического тока от катода батареи через схему к аноду батареи, отличающаяся тем, что анод, сепаратор и катод образуют удлиненный пакет электродов, а множество удлиненных пакетов электродов объединены вместе в ячеистую структуру.

2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что сепаратор выполнен проницаемым и смочен раствором электролита, который допускает проведение электрохимической реакции, включающей первый и второй реагенты, в которой ионы перемещаются между реагентами для вызывания электрического тока от катода батареи через схему к аноду батареи.

3. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что анод включает в себя слой подложки и слой реагента.

4. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что анод включает в себя слой коллектора тока и слой реагента.

5. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что анод включает в себя слой подложки, слой коллектора тока и слой реагента.

6. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что катод включает в себя слой подложки и слой реагента.

7. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что катод включает в себя слой коллектора тока и слой реагента.

8. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что катод включает в себя слой подложки, слой коллектора тока и слой реагента.

9. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что анод и катод соединены с сепаратором.

10. Батарея по п.9, отличающаяся тем, что анод и катод соединены с сепаратором посредством точечной сварки.

11. Батарея по п.2, отличающаяся тем, что первый реагент включает гидрид металла, второй реагент включает гидроксид никеля, а раствор электролита включает в себя гидроксид калия.

12. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что ячеистая структура образована нанесением адгезива на последовательность регулярных, удаленных позиций между каждой парой смежных пакетов электродов.

13. Батарея по п.12, отличающаяся тем, что расположения адгезива между любой парой смежных пакетов электродов смещены от расположений адгезива между одной из пар смежных пакетов электродов и противоположно-смежным пакетом электродов.

14. Батарея по п.13, отличающаяся тем, что сепаратор включает в себя по меньшей мере одну площадь твердого вещества, смежного и соответствующего каждому расположению адгезива.

15. Батарея по п.2, отличающаяся тем, что первым реагентом является водородный катализатор, второй реагент включает гидроксид никеля, а раствор электролита включает в себя гидроксид калия.

16. Батарея по п.15, отличающаяся тем, что катализатором водорода является платина.

17. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что первый реагент является источником ионов лития, а второй реагент является веществом, которое принимает и удерживает ионы лития.

18. Батарея по п.17, отличающаяся тем, что источником ионов лития является металлический литий, а веществом, которое может принимать и удерживать ионы лития, является диоксид марганца.

19. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что электрохимическая реакция является обратимой, так что энергия может быть накоплена в батарее посредством заряда батареи и энергия может быть выделена из батареи посредством разряда батареи.

20. Батарея по п.5, отличающаяся тем, что никелевую плазму распыляют на тонкую пленку для образования слоя коллектора тока на слое подложки, а гидрид металла осаждают на никелевый слой коллектора тока для образования слоя реагента.

21. Батарея по п.8, отличающаяся тем, что никелевую плазму распыляют на тонкую пленку для образования слоя коллектора тока на слое подложки, а на него осаждают слой гидроксида никеля.

22. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит второй сепаратор и второй катод, расположенный по соседству с анодом и на противоположной стороне анода от первого сепаратора и первого катода.

23. Батарея по п.2, отличающаяся тем, что имеет место отдельная реакция между анодом и раствором электролита, а дополняющая и отдельная реакция имеет место между катодом и раствором электролита.

24. Панель батарей, содержащая множество отдельных ячеистых структур, каждая объединенная в виде отдельных ячеек, отличающаяся тем, что каждая из ячеистых структур содержит множество объединенных удлиненных пакетов электродов, причем удлиненные пакеты электродов имеют удлиненный анод, включающий первый реагент и выполненный с возможностью подсоединения к первому выводу электрической схемы, удлиненный катод, расположенный смежно и на расстоянии от анода и включающий в себя второй реагент, причем катод выполнен с возможностью подсоединения ко второму выводу электрической схемы, и сепаратор, расположенный между анодом и катодом, который обеспечивает электрическую изоляцию между анодом и катодом, но допускает проведение электрохимической реакции, включающей перенос ионов между анодом и катодом, при этом перенос ионов обуславливает прохождение электрического тока от катода батареи через электрическую схему к аноду, рамку прокладки, в которую вставлены каждая из отдельных ячеек, и пару лицевых пластин, верхнюю пластину и нижнюю пластину, которые присоединены к рамке прокладки с противоположных сторон для прослаивания отдельных ячеек.

25. Панель батарей по п.24, отличающаяся тем, что лицевые пластины присоединены к рамке прокладки и к отдельным ячейкам с помощью адгезива, присоединение к рамке прокладки осуществляют электроизолирующим адгезивом, а присоединение к отдельным ячейкам осуществляют электропроводящим адгезивом.

26. Панель батарей по п. 24, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя множество герметизаторов концов, расположенных по периферии о внешней стороны рамки прокладки и отдельных ячеек, а также являющихся прослоенными между лицевыми пластинами.

27. Панель батарей по п.25, отличающаяся тем, что первый реагент включает в себя гидрид металла, второй реагент включает гидроксид никеля, а раствор электролита включает в себя гидроксид калия, сепаратор выполнен проницаемым и увлажнен раствором электролита, который допускает проведение электрохимической реакции, включающей участие первого и второго реагентов, при которой ионы перемещаются между реагентами для возникновения электрического тока от катода батареи через схему к аноду батареи, анод и катод каждый включают слой подложки, слой коллектора тока и слой реагента, анод и катод подсоединены к сепаратору точечной сваркой и ячеистая структура образована нанесением адгезива на последовательность регулярных, пространственно разделенных положений между каждой парой смежных пакетов электродов, а положения адгезива между любой парой смежных пакетов электродов смещены от положений адгезива между одной из пар смежных пакетов электродов и противоположно-смежным пакетом электродов, а сепаратор включает в себя по меньшей мере одну площадь твердого вещества, смежного и соответствующего каждому положению адгезива.

28. Способ сборки батареи, содержащий стадии: получения удлиненного анода, включающего первый реагент, получения удлиненного катода, включающего второй реагент, получения удлиненного пористого сепаратора, подсоединения анода и катода к противоположным сторонам сепаратора для получения удлиненного пакета электродов, сборки множества удлиненных пакетов электродов в ячеистую структуру и увлажнения сепаратора электролитом.

29. Способ по п. 28, отличающийся тем, что сепаратор включает в себя множество непрерывных твердых частей и стадия соединения включает в себя точечную сварку анода и катода с сепаратором посредством нагревания каждой непрерывной твердой части до температуры, приближающейся к температуре плавления твердой части сепаратора, в то же время прилагая давление для прижатия анода и катода к твердой части.

30. Способ получения панели батарей, содержащий стадии: получения удлиненного анода, включающего первый реагент, получения удлиненного катода, включающего второй реагент, получения удлиненного пористого сепаратора, подсоединения анода и катода к противоположным сторонам сепаратора для получения удлиненного пакета электродов, сборки множества удлиненных пакетов электродов в ячеистую структуру, в которой ячеистая структура образует ячейку батареи, увлажнения сепаратора электролитом, изолирования множества ячеек батарей друг от друга, помещения множества изолированных ячеек батарей в кожух для получения панели батарей и выполнения электрических выводов из ячейки батарей наружу от кожуха.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к усовершенствованной конструкции электрохимической батареи, более конкретно - к распределительной конструкции батареи, в которой функциональные элементы батареи служат в качестве структурных элементов для транспортного средства или устройства, использующего батарею.

Уровень техники

Транспортные средства с бензиновым или дизельным двигателем внутреннего сгорания являются общепринятым способом передвижения большинства взрослых людей в цивилизованных странах. К сожалению, такие средства передвижения с двигателями, работающими на бензине или другом углеводородном топливе, имеют два серьезных недостатка. Во-первых, выхлопные газы из двигателей существенно загрязняют воздух в городских районах. Во-вторых, большинство стран не имеют достаточных природных ресурсов для получения углеводородных видов топлива (в частности, бензина) по рыночным или близким к ним ценам. Соответственно, эти страны зависят от других стран по этим ресурсам.

По этим и другим причинам сейчас разрабатывают транспортные средства с альтернативными источниками энергии. Среди основных разработок являются электромобили, которые питаются от электрохимических батарей. В США и на государственном уровне и на уровне штатов существуют действующие законы и ожидающие введения в действие законодательные акты, относящиеся к продаже новых электромобилей, налоговые отчисления для покупателей электромобилей и требования к процентному соотношению транспортных средств без вредных выхлопов, которые должны быть проданы по отношению к транспортным средствам с вредными выхлопами. В 1990 федеральное правительство учредило консорциум US Advanced Battery Consortium (USABC). Под эгидой Департамента энергетики USABC объединила вместе Chrysler, Ford, General Motors и Electric Power Research Institute для финансирования исследования и разработки батарей для электромобилей. USABC имеет определенное количество параметров, или задач, для системы батарей электромобиля.

Основное требование заключается в том, что система батарей должна быть перезаряжаемой. Помимо этого, один из наиболее важных параметров относится к плотности энергии системы батарей (используемый термин "плотность энергии" представляет собой общую достижимую энергию на единицу массы). Так как батареи по своей природе обладают намного меньшими плотностями энергии, чем другие источники энергии, такие как ископаемые топлива, то многие исследования и разработки в производстве батарей относятся к максимизации плотности энергии посредством экспериментирования с новыми реагентами, включая более легкие химические продукты в основном электрохимическом процессе. Таким образом, свинцово-кислотные батареи заменены на никель-кадмиевые (NiCd) батареи, нашедшие применение во многих потребительских товарах. В космических транспортных средствах используют никель-водородные (NiH₂) батареи. К сожалению, газообразная природа электрохимической реакции в NiH₂ батарее требует использования резервуара высокого давления для эксплуатации батареи. Далее, в присутствии кислорода, такого как кислород атмосферы Земли, NiH₂ батареи имеют многочисленные вопросы по безопасности, связанные с воспламеняемостью водорода.

В настоящее время разработано много усовершенствованных систем батарей на основе других реагентов. Например, некоторые потребительские товары в настоящее время поставляются с никель-металл-гидридными (NiMH) батареями для максимизирования плотности энергии. К тому же, в настоящее время разрабатываются литий-ионные (Li⁺) батареи. Каждый из этих типов батарей имеет преимущества увеличенной плотности энергии и нетоксичности составляющих по сравнению с более старыми батареями, использующими свинец или кадмий.

Вне зависимости от того, какой реагент используют для электрохимической батареи, существует теоретическое ограничение для плотности энергии. То есть, каждая молекула может отдавать только один электрон, и потенциал этого электрона ограничен природой образованного иона. Таким образом, даже с наименьшим атомным весом, возможным в молекуле, существует единственный отданный электрон на одну молекулу. Это теоретически задает верхний предел для плотности энергии электрохимических батарей. Литий-ионные батареи имеют наибольшую теоретическую плотность энергии из любых ранее описанных используемых реагентов вследствие низкого атомного веса лития и высокого потенциала иона лития.

В настоящее время одной из основных разработок для системы батарей электромобиля являются никель-металл-гидридные (NiMH) батареи. Текущей задачей для NiMH батарей является плотность энергии, приблизительно равная 80 ватт-часов на килограмм. Для сравнения, бензин имеет плотность энергии порядка 3000 ватт-часов на килограмм. Другими словами, один килограмм бензина может произвести более чем в тридцать раз больше энергии на килограмм, чем проектируемая NiMH батарея.

Из-за такой относительно низкой плотности энергии в батареях батареи должны иметь очень большую массу. Таким образом, система батарей для электромобиля должна быть чрезвычайно большой по объему и массе, возможно, занимать, большую часть двигательного и багажного отделений стандартного пассажирского автомобиля. Как можно видеть, батарея имеет не только большой объем и массу, но масса сконцентрирована в одном или двух конкретных областях в транспортном средстве. Такая конструкция может быть опасной при автомобильной аварии, в которой массивная большая батарея может проломить багажник транспортного средства, травмировать людей и разрушить содержимое, находящееся в пассажирском отделении в транспортном средстве.

Обычно электрохимические батареи размещают во внешнем кожухе или контейнере, который ничего не добавляет к работе или функционированию батареи, или транспортного средства, или устройства, соединенного с батареей. Контейнер заполняют сложенными электродами в виде металлических пластин или в виде рулона, состоящего из соседних электродов. Когда система батарей становится очень большой для электромобилей, масса этого контейнера становится существенной. Даже для относительно малых потребителей энергии, таких как космические средства передвижения, бытовая электроника и инструмент с электроприводом, контейнер сам по себе может рассматриваться как занимающий избыточное пространство и имеющий чрезмерную массу и стоимость. В некоторых космических транспортных средствах устранение контейнера для батарей может привести к значительному снижению массы от 10 до 50% от массы батарей.

Сущность изобретения

Соответственно, задачей настоящего изобретения является достижение максимизации плотности энергии всего транспортного средства или устройства, содержащего батарею, которая является параллельной, и, дополнительно, поиск улучшенных реагентов и электрохимических реакций.

Задачей настоящего изобретения также является создание конструкции батареи, в которой масса и объем батареи являются распределенными по транспортному средству или устройству, требующему электрическую энергию.

Другой задачей настоящего изобретения является создание конструкции батареи, в которой компоненты батареи выполняют полезные функции, относящиеся к транспортному средству или устройству, отличные от генерирования электроэнергии.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание конструкции батареи, в которой элементы батареи служат в качестве структурных элементов для транспортного средства или устройства.

Дополнительные задачи, преимущества и новые признаки данного изобретения приведены ниже, в частности в нижеследующем описании, и станут ясны специалистам при рассмотрении нижеследующего описания или могут быть изучены при практической реализации изобретения. Задачи и признаки изобретения могут быть реализованы и достигнуты при помощи инструментальных средств, комбинаций, и способов, особенно указанных в прилагаемой формуле изобретения.

Для достижения упомянутых и других задач и в соответствии с целями настоящего изобретения, которое осуществлено и подробно описано ниже, батарея для подачи энергии на электрическую схему, имеющая первый вывод и второй вывод, включает в себя удлиненный анод, включающий в себя первый реагент, причем анод выполнен с возможностью подсоединения к первому выводу схемы. Также, удлиненный катод расположен смежно и на некотором удалении от анода, катод включает в себя второй реагент и выполнен с возможностью подсоединения ко второму выводу схемы. Сепаратор расположен между анодом и катодом для обеспечения электрической изоляции между анодом и катодом, но допускает проведение электрохимической реакции, включающей перенос ионов между анодом и катодом, перенос ионов обуславливает прохождение электрического тока от катода батареи через схему к аноду батареи. Анод, сепаратор и катод образуют удлиненный электродный пакет, а множество удлиненных пакетов электродов объединены вместе в ячеистую структуру.

Изобретение также относится к способу сборки батареи. Способ включает стадии получения удлиненного анода, включающего первый реагент, получение удлиненного катода, включающего второй реагент, получение удлиненного пористого сепаратора, присоединение анода и катода к противоположным сторонам сепаратора для получения удлиненного электродного пакета, сборки множества удлиненных электродных пакетов в ячеистую структуру и увлажнение сепаратора электролитом.

Другой вариант осуществления изобретения относится к батарее для подачи энергии на электрическую схему, имеющей первый вывод и второй вывод, включающей анод, имеющий первый реагент, причем анод имеет множество находящихся в нем полостей, в которой анод выполнен с возможностью подсоединения к первому выводу схемы. Также, катод расположен сменно и на некотором удалении от анода, причем катод имеет множество находящихся в нем полостей и включает второй реагент, катод выполнен с возможностью подсоединения ко второму выводу схемы. Сепаратор расположен между анодом и катодом для обеспечения электрической изоляции между анодом и катодом, но допускает проведение электрохимической реакции, включающей перенос ионов между анодом и катодом, причем перенос ионов обуславливает прохождение электрического тока от катода батареи через схему к аноду батареи. Сепаратор также имеет множество находящихся в нем полостей. Анод, сепаратор и катод образуют структуру, которая имеет множество находящихся в ней полостей для обеспечения прочной и в то же время легкой структуры.

Краткое описание чертежей

Сопровождающие чертежи, которые составляют часть описания, иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения и совместно с описаниями служат для пояснения принципов изобретения.

Фиг. 1 - вид в изометрии электродного пакета, согласно настоящему изобретению, изображающий различные слои пакета электродов в разъединенном положении,

фиг. 2 - поперечное сечение по линии 2-2 фиг. 1,

фиг. 3 - поперечное сечение множества электродных пакетов, изображенных на фиг. 1, множество электродных пакетов объединены в суперпакет,

фиг. 4 - поперечное сечение суперпакета, изображенного на фиг. 3, после того, как суперпакет растянут в ячеистую форму,

фиг. 5 - вид в перспективе с разрывом панели батарей, сконструированной в соответствии с настоящим изобретением,

фиг. 6 - вид сбоку верхней лицевой пластины панели батарей, изображенной на фиг. 5,

фиг. 7 - вид в перспективе собранной панели батарей, такой как изображена на фиг. 5,

фиг. 8 - вид в перспективе пассажирского транспортного средства, включающего множество панелей батарей, изображенных на фиг. 7,

фиг. 9 - поперечное сечение, аналогичное виду на фиг. 2, изображающее второй вариант осуществления электродного пакета, причем пакет имеет биполярную конструкцию электродов,

фиг. 10 - поперечное сечение, аналогичное виду на фиг. 2, изображающее третий вариант осуществления электродного пакета, причем пакет имеет альтернативное электрохимическое воплощение,

фиг. 11 - поперечное сечение, аналогичное виду на фиг. 2, изображающее четвертый вариант выполнения электродного пакета, причем пакет имеет другое альтернативное электрохимическое воплощение,

фиг. 12 - поперечное сечение альтернативного воплощения панели батарей, изображенной на фиг. 5 и 7,

фиг. 13 - увеличенный вид окружающей области на фиг. 12, изображающий пенообразную структуру.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Настоящее изобретение относится к системам батарей, включающих панели батарей, состоящих из одной или более ячеек батарей. Ячейки могут быть соединены электрически последовательно или параллельно для получения требуемых уровней напряжения или тока. Каждая ячейка включает множество удлиненных электродных пакетов, собранных в ячеистую структуру.

Удлиненный электродный пакет 20, согласно настоящему изобретению, изображен на фиг. 1 и 2. Электродный пакет 20 является многослойным и включает в себя удлиненный положительный электрод, или катод 22, удлиненный сепаратор 23 и удлиненный отрицательный электрод, или анод 24. Во всем описании предпочтительно используется принятое обозначение катодов и анодов в производстве батарей, а не их обозначение в производстве электроники. Таким образом, при разряде батареи положительный ток течет от катода 22 через внешнюю подсоединенную схему к аноду 24. Это происходит потому, что катод 22 может рассматриваться как отрицательный вывод с точки зрения внутреннего устройства батареи, но снаружи, так как ток течет от катода батареи, он рассматривается как положительный вывод.

Катод 22 предпочтительно включает три слоя. Стекловолокно, тефлон или другой изолирующий материал используют для слоя подложки 26 анода. Соседним накладываемым на слой 26 подложки является состоящий из никеля (Ni) слой 28 коллектора тока катода. Накладываемым на слой 28 коллектора тока является слой 30 реагента катода, состоящий из гидроксида никеля (Ni(OH)₂).

Аналогично, анод 24 изготавливают из трех слоев, начиная со слоя анодной подложки 32, состоящего из стекловолокна, тефлона или другого изолирующего материала. Присоединяемым к слою 32 подложки анода является собирающий анодный ток слой 34, состоящий из никеля (Ni). Накладываемым на собирающий анодный ток слой 34 является слой 36 реагента катода, состоящий из гидрида металла (МН). Гидрид металла может включать различные вещества, которые имеют важное свойство, заключающееся в способности абсорбировать и удерживать водород. Интерметаллические гидриды сплавов, имеющие электрохимическое применение, могут абсорбировать и десорбировать водород относительно легко и таким образом, функционируют как обратимые электроды. Интерметаллические гидриды сплавов образуются объединением металлов из групп IIIB - YIIB и группы YIII Периодической таблицы элементов. Гидриды металлов классифицируются как AB_x, где A содержит любой металл из групп IIIB - YIIB, а B является металлом из группы YIII, x - относительное мольное соотношение. Современные металл-гидридные электроды сосредотачиваются на AB₅ и AB₂Я комбинациях металлов. La_0,8Nd_0,2Ni_2,5Co_2,4Si_0,1 является примером гидрида AB₅. V₁₅Ti₁₅Zr₂₁Ni₃₁Cr₆Co₆Fe₆ является примером гидрида AB₂.

Катод 22 и анод 24 присоединены к противоположным сторонам удлиненного сепаратора 23. Сепаратор 23 имеет свойство электрической изоляции катода 22 от анода 24, в то же время допуская прохождение ионов между ними через раствор жидкого электролита (не изображен), причем щелочная среда состоит из 26 вес. % гидроксида калия (КОН) в воде, которая капиллярно поступает в сепаратор 23. Сепаратор 23 также должен удерживать раствор электролита, обычно являясь пористым и абсорбирующим. В этом случае сепаратор может просто пространственно разделять электроды так, чтобы удерживать раствор электролита капиллярным действием. Далее, сепаратор 23 должен противостоять окислению, чтобы не взаимодействовать с избытком кислорода в условиях перезаряда. Предпочтительно, чтобы сепаратор 23 состоял из нейлона или полипропиленового полотна. Альтернативно, он может быть полотном, сплетенным или напечатанным трафаретным способом или свалян из неорганических волокон, например асбеста или циркара. Сепаратор 23 предотвращает непосредственный контакт между катодом 22 и анодом 24, который может закоротить ячейку батарей 46. Сепаратор 23 также поддерживает одинаковое отдаление катода 22 и анода 24 и обеспечивает локализацию электролитного раствора. Ионы могут перемещаться во время заряда и разряда между катодом 22 и анодом 24.

Расположенные на некотором удалении на удлиненном сепараторе 23 в виде полотна, малые площади твердого вещества сепаратора 23 служат для присоединения катода 22 и анода 24 к сепаратору 23, и более крупные площади твердого вещества сепаратора 41, которые также служат для подсоединения катода 22 и анода 24 к сепаратору 23 и обеспечивают опору и прочность, когда множество электродных пакетов 20 превращают в ячеистую структуру, как описано ниже. Конечно, желательно сохранить размер и количество твердых частей 39 и 41 минимальными, так как они снижают емкость хранимой энергии электродного пакета 20 и, следовательно, всей системы батарей. Далее, более крупные площади твердого вещества 41 не являются непрерывными по всему сепаратору 23, вместо этого имеется зазор 47, через который может проходить раствор электролита. Соединение, осуществляемое меньшими площадями твердого вещества 39, предохраняет от слишком большого удаления катода от анода и допускает манипулирование пакетом. Большие площади твердого вещества 41 обеспечивают соединение между электродами, которые усиливают суперпакет, когда подвергаются силам разделения во время процесса растяжения в ячеистую структуру 44. Во всех случаях твердые площади 39 и 41 изготовлены так, что не образуют изолированных площадей в сепараторе 23. Таким образом, раствор электролита гидроксида калия обеспечивает проход в каждую площадь или из каждой площади сепаратора 23.

Как видно на поперечном сечении на фиг. 2, ясно, что реагенты и проводники катода 22 и анода 24 немного сдвинуты по вертикали относительно друг друга. Это допускает внешнее электрическое подсоединение к катоду 22 и аноду 24 через верхнюю и нижнюю части пакета 20 соответственно. Этот способ снижает вероятность электрического закорачивания между катодом 22 и анодом 24.

Множество электродных пакетов 20 склеены вместе в суперпакет 42 с помощью адгезива 43, как изображено на фиг. 3. Адгезив 43 должен противостоять воздействию со стороны раствора электролита. Как описано ниже более подробно, этот суперпакет 42 может быть растянут в ячеистую структуру 44, как изображено на фиг. 4. Полости 45, имеющиеся между соседними электродными пакетами 20 в ячеистой структуре 44, обычно являются пустыми, но могут быть частично заполнены раствором электролита.

Требуемое количество электродных пакетов 20 необходимой длины могут быть объединены вместе для получения указанной выше ячеистой структуры 44 в форме прямоугольника, коробки или ячейки батарей 46. Длина ячейки батарей 46 определяется длиной удлиненных электродных пакетов 40 и количеством и шириной адгезивных соединений 43. Ширина ячейки 46 определяется толщи ной и количеством электродных пакетов 20. Высота ячейки 46 определяется высотой электродных пакетов 20. Высота будет изменяться в зависимости от применения и даже в одном применении. Для транспортных средств с двигателем высота может быть в пределах 5.08 см или менее или может быть до 30.48 см или более. Для корпусов электронных приборов, например для портативных компьютеров, она может быть в пределах от 0.635 см или менее.

Как изображено на фиг. 5, множество ячеек 46 может содержаться в панели батарей 48. Каждая из ячеек 46 вставляется в соответствующие отверстия 50, имеющиеся в рамке в виде прокладки или слоя 52, состоящего из электроизолирующего вещества так, чтобы изолировать каждую из ячеек 46 друг от друга. Предпочтительно, чтобы изолирующее вещество было нейлоном или полипропиленом, изготовленными с помощью литьевой машины и обработанными. К слою прокладки 52 с противоположных сторон присоединяют верхнюю лицевую пластину 54 и нижнюю лицевую пластину 56. На внутренней поверхности каждой из лицевых пластин 54 и 56 находятся четыре квадратных проводящих листа 58, которые соответствуют и располагаются рядом с четырьмя ячейками 46. Из-за ранее описанного вертикального сдвига между катодом 22 и анодом 24 в электродном пакете 20 проводящие листы 58 на верхней лицевой пластине 54 обеспечивают электрический контакт с катодом 22 каждого электродного пакета 20, в то время как проводящие листы 58 на нижней лицевой пластине 56 обеспечивают электрический контакт с анодом 22 каждого электродного пакета 20.

Путь для электрического вывода каждого проводящего листа 58 через верхнюю и нижнюю лицевую пластины 54 и 56 обеспечивается штырем 60, присоединенным к каждому проводящему листу 58, как изображено на фиг. 6. На верхней лицевой пластине 54 имеется канал 62 для заливки электролита, проходящий через всю пластину. Канал 62 для заливки электролита предусматривает добавление и удаление электролитного раствора из каждой ячейки 46.

После сборки множество панелей батарей 48 (фиг.7) могут быть использованы в качестве поверхности корпуса транспортного средства с двигателем, как и на крыше пассажирского транспортного средства 64, изображенного на фиг. 8. Конечно, дополнительные панели 48 могут быть использованы для дверей, крыльев, складного верха, основания кузова и в частях двигателя и других частях транспортного средства 64.

Способ сборки

Пакет электродов 20 собирают следующим образом. Плазму металлического никеля распыляют или электрохимически осаждают на тонкую пленку из стекловолокна или тефлона, образуя слой 26 подложки катода. Это распыление или осаждение создает собирающий катодный ток слой 28 из никеля. Поверхность этого слоя 28, которая противоположна слою 26 подложки, покрывают гидроксидом никеля посредством химической пропитки или электрохимической пропитки. Химическая пропитка включает в себя четыре стадии:

1) пропитка в растворе нитрата никеля,

2) пропитка в растворе гидроксида натрия для осаждения Ni(ОН)₂,

3) промывка,

4) сушка.

Эти четыре этапа могут быть повторены для получения требуемого количества Ni(OH)₂. К нитрату никеля может быть добавлен нитрат кобальта с содержанием кобальта от 4 до 11% от содержания никеля. Это увеличивает стабильность такого электрода батареи при циклической зарядке/разрядке.

При способе электрохимической пропитки слой 28 никеля подвергают воздействию раствора нитрата никеля, в то же время электрически поляризуя слой 28 с использованием внешнего источника напряжения (не изображен). Электролиз воды увеличивает значение pH раствора вблизи слоя 28 никеля в результате восстановления ионов нитрата, связанного с расходом ионов водорода. Гидроксид никеля, таким образом, осаждается. Параметры одного из таких способов электрохимического осаждения приведены ниже:

концентрация нитрата никеля 1.6 - 1.7 мол.

концентрация нитрата кобальта 0.16 - 0.18 мол.

концентрация этанола 46% об.

pH 2.5-3.0

температура раствора 61^oC - 72^oC

Время пропитки будет зависеть от требуемой толщины гидроксида никеля. Требуемая толщина является результатом компромиссного решения между сохранением энергии и возможностью проводить ток. Обычно никелевый слой 28 коллектора тока должен быть тоньше, чем слой 30 гидроксид- никелевого реагента. В расчете на молекулярный вес гидроксида никеля, минимум 3.46 г гидроксида никеля должно быть подано на каждый ампер-час требуемой емкости. Слой 28, состоящий из никеля, коллектора тока между слоем 30 реагента и слоем 26 подложки выполняет дополнительную функцию структурного усиления, лежащего в основе материала слоя 26 подложки. Толщина всего катода 22 составляет порядка 0.00508 см.

Теоретически сепаратор 23 должен иметь бесконечно малую толщину. Количество раствора электролита уменьшается с уменьшением сепаратора, таким образом уменьшая общую массу пакета электродов 20. Разделение катода от анода обычно составляет от 0.01778 см до 0.0381 см для батарей космического назначения с гидроксидом никеля в качестве катода. Это минимальное расстояние требуется для растягивания положительной пластины и результирующей адсорбции электролита положительной пластиной. Так как никакой из этих факторов не является значительным в тонкопленочном катоде 22, согласно настоящему изобретению, то встраивают сепаратор толщиной 0,01016 см.

Анод 24 аналогичен катоду 22 в том, что слой 32 подложки анода состоит из тонкой пленки стекловолокна или тефлона с плазмой металлического никеля, распыленной в расплавленном состоянии или электрохимически или осажденной в виде паров на его поверхность для создания никелевого слоя 34 для сбора анодного тока. Слой 36 реагента образуется осаждением металлических кристаллов гидрида металла. Предпочтительным способом осаждения гидрида металла является плазменное распыление с использованием заданного материала (источника плазмы) с требуемыми сплавными составляющими гидридов AB₂ или AB₅, как описано выше. Некоторые из гидридов более низкой эффективности требуют до 3.46 г осажденного реагента на каждый требуемый ампер-час. Предпочтительно, может использоваться более эффективный гидрид металла, имеющий эффективность в пределах 1.5 г гидрида металла, необходимого на емкость в 1 ампер-час (2.5 вес.% удержания водорода). Такие эффективности, как сообщено, достигнуты Ovonics Battery Corporation с более эффективными металлгидридными AB₅ веществами.

Три компонента пакета 20 электродов - катод 22, анод 24 и сепаратор 23 соединяют вместе совмещением трех удлиненных компонентов и точечной сваркой катода 22 и анода 24 к противоположным сторонам сепаратора 23. Пара противоположных щупов могут быть подведены к слоистой структуре для нагревания конструкции до температуры чуть ниже температуры плавления вещества, образующего сепаратор 23. Сила сжатия, приложенная к противоположным щупам, вместе с состоянием сепаратора 23, близким к плавлению, вызывают точечную сварку с обеих сторон сепаратора с катодом 22 и анодом 24. Эти места точечной сварки образуются в площадях, где в сепараторе 23 имеются твердые части 39 и 41. Таким образом, получают удлиненный электродный пакет 20. Альтернативно, или катод или анод могут быть получены без несущего слоя основы, и такой получающийся относительно непрочный электрод может быть удержан у сепаратора посредством капиллярного действия.

Множество таких электродных пакетов 20 могут быть совмещены и собраны в пакет сверху друг на друга с площадями адгезива 43 между каждым из смежных пакетов 20, как изображено на фиг. 3. Как можно видеть, расположение адгезива 43 соответствует и является смежным к расположению более крупных площадей твердого вещества 41 в сепараторе 23 каждого удлиненного электродного пакета 20. Предпочтительно, первая пара смежных электродных пакетов 20 имеет адгезив 43, нанесенный смежно к каждому второму положению твердого вещества 41 в сепараторе 23. Каждая из этих первых пар электродных пакетов 20 также является смежной с другим пакетом электродов, противоположно-смежному пакету электродов. Положения адгезива между каждым из первой пары пакетов электродов является сдвинутыми от положений адгезива между одним из первой пары пакетов электродов и его противоположно-смежным пакетом электродов, как изображено на фиг. 3. Адгезив 43 расположен смежно к более крупным площадям твердого вещества 41 в сепараторе 23 для усиления ячеистой структуры, которая затем образуется, как будет объяснено ниже.

Многослойный пакет электродов, или суперпакет 42, затем растягивают в противоположных направлениях верхнего и нижнего пакетов электродов суперпакета 42. Верхний и нижний пакеты электродов растягиваются от положений, соответствующих точкам, эквидистантным между каждым положением адгезива на верхнем и нижнем пакете электродов. Таким образом, образуется ячеистая структура 44 из суперпакета 42. В качестве примера на фиг. 3 видно, что часть суперпакета растянута в ячеистую структуру, показанную на фиг. 4. На фиг. 4 видно, что положения адгезива 43 совмещены с твердым веществом 41 в сепараторе 23, обеспечивая усиление и расположены так, что напряжение, приложенное к суперпакету 42 посредством растяжения в ячеистую структуру 44 не вызывает неравномерного отделения катодов 22 и анодов 24.

Ряд слоев или пакетов электродов 20 в суперпакете 42 и разделение адгезивных положений 43 являются сшитыми так, что растянутая ячеистая структура 44 удовлетворяет двум критериям. Во-первых, размер и направление растяжения согласуются с тем, что требуется. Во-вторых, шаг каркаса ячеистой структуры 44 совместно со структурными свойствами ячеистой структуры 44 (определяемой модулем упругости и пределом текучести структуры) суммируются вместе для обеспечения требуемой структурной прочности и жесткости ячеистой структуре 44, которая образует ячейку батарей 46. Как описано выше, один размер ячейки батарей 46 определяется количеством и толщиной пакета электродов 20 и шириной и расстоянием между соседними положениями 43 адгезива. Второй размер ячейки батарей 46 определяется длиной удлиненного пакета электродов 20 и шириной и расстоянием между соседними положениями 43 адгезива. Третий размер ячейки батарей 46 определяется высотой пакета электродов 20. Плотность или, наоборот, объем полостей 45 в ячеистой структуре 44 является компромиссным соотношением между требуемыми прочностью и жесткостью панели 48 батарей и общим ее весом.

Затем, четыре ячейки батарей 46 объединяют вместе в панель батарей 48. Сначала электроизолирующая эпоксидная смола (не изображена) наносится на все внутренние поверхности слоя прокладки 52. Четыре ячейки батарей 46 затем опускаются со скольжением в отверстия 50 в слой прокладки 52. Электрическипроводящая эпоксидная смола (не изображена) наносится на электрически проводящие листы 58 лицевых пластин 54 и 56. Электроизолирующая эпоксидная смола (не изображена) наносится на другие площади лицевых пластин 54 и 56. Верхняя и нижняя лицевые пластины 54 и 56 затем склеивают эпоксидной смолой со слоем прокладки 52 и ячейками батарей 46. Электрическипроводящая эпоксидная смола подсоединяет проводящие листы 58 верхней и нижней лицевых пластин 54 и 56 к ячейкам батарей 46, в то время как электроизолирующая эпоксидная смола соединяет верхние и нижние лицевые пластины 54 и 56 со слоем прокладки 52. Во время соединения эпоксидной смолы панель батарей 48 должна быть сжата. Это может быть сделано размещением всей панели батарей 48 в концентрических оболочках (не изображены) и увеличением давления между оболочками так, что внутренняя оболочка прижимает верхнюю и нижнюю лицевую пластину 54 и 56 к слою прокладки 52 и ячейке батарей 46.

До сих пор сепаратор 23 не содержал никакого раствора электролита. После сборки панели батарей 48 добавляют раствор электролита через жидкостной канал 62 в верхней лицевой пластине 54. Каждую из ячеек батарей 46 в панели батарей 48 затем заливают раствором электролита гидроксида калия и оставляют для пропитки. Затем большую часть раствора сливают в вакууме через канал 62, оставляя сепаратор 23 увлажненным раствором электролита. Ячейки 46 панели батарей 48 заряжают и разряжают несколько раз для ввода в эксплуатацию панели батарей 48. Каждую из ячеек батарей 46 затем заполняют газообразным азотом и канал 62 закрывают.

В дополнение к соединению эпоксидной смолой панели батарей вместе возможно просверлить отверстия (не изображены) сквозь верхнюю и нижнюю пластины 54 и 56 и слой прокладки 52 для скрепления вместе панели батарей болтами. Далее, просверливание таких отверстий допускает внешнее структурное присоединение панели батарей 48 к окружающему транспортному средству или устройству. Альтернативно, батарея может быть приклеена к внешнему транспортному средству или устройству. Слой прокладки 52 служит для электрической изоляции каждой из панелей батарей 48 друг от друга. Таким образом, если любая одна из ячеек батареи 46 отказывает, это может быть предотвращено от неблагоприятного воздействия на другие ячейки батареи 46. Далее, слой прокладки 52 служит для распределения нагрузки по всей панели батарей. Например, слой прокладки 52 может распределить точечные нагрузки от точек структурных креплений к панели батарей на область по слою прокладки 52.

После сборки множества батарей панели могут быть электрически и структурно объединены для образования источника питания для средства передвижения или устройства и его структурных компонентов. Конструкция и структура такой усовершенствованной батареи обеспечивает большие поверхностные площади параллельных пластин, дающие преимущества конструкции.

Электрохимическая реакция

Электрохимическая реакция в каждом пакете электродов 20 является той, что известна для никель-металл-гидридной батареи. Эта электрохимическая реакция более подробно раскрывается в т. 260 Sience Magazine, начиная со стр. 176, от 9.4.93, озаглавленной "A Nickel Metall Hydride Battery For Electrical Vehickles", которая включается в качестве ссылки.

NiMH батарея имеет номинальное напряжение 1.2 В. Она удерживает водород в качестве продукта реакции в твердой гидридной фазе, в отличие от никель-водородной батареи, которая удерживает водород в виде сильно сжатого газа. Анод 24 (отрицательный электрод) включает в себя вещество, удерживающее водород (гидрид металла), чтобы допустить электрохимическое удержание и высвобождение водорода во время процессов заряда и разряда, соответственно. Слой реагента гидроксида никеля 30 в катоде 22 (положительный электрод) является электрохимически обратимым между Ni(OH)₂ и гидроксидом никеля (NiOOH). В обоих электродах 22 и 24 имеют место окислительно-восстановительные реакции в щелочной среде, включающей от 20 до 35 вес.% КОН в воде. Во время заряда электрод Ni(OH)₂ является окисленным, а электрод МН восстановленным. В результате, вода разлагается на ионы водорода и гидроксила, причем водород абсорбируется металлом на отрицательном электроде до образования МН. На положительном электроде ион гидроксила реагирует с электродом Ni(ОН)₂ до образования NiOOH. Эта реакция приводит к изменению степени окисления Ni с +2 до +3. Реакции в половине ячейки при заряде и разряде ячейки батарей могут быть записаны следующим образом:

M + H₂O + e^- _ MH + OH^- (1)

Ni(OH)₂ + OH^- _ NiOOH + H₂O + e^- (2)

Как следствие реакций 1 и 2, не существует результирующего изменения в количестве или концентрации раствора электролита во время цикла заряда-разряда. Этот результат противоречит другим системам щелочных электролитов, например NiCd, в котором вода образуется на обоих электродах во время разряда. Хотя в NiMH батарее могут иметь место случайные градиенты концентрации электролита, ее постоянная средняя концентрация является важным следствием хорошей общей характеристики в газовой рекомбинации, кинетике, в высоко и низкотемпературной ориентации и устойчивости к ограничениям срока службы, вызываемыми коррозией и вздутием.

Электрические аспекты

NiMH батарея выдает номинальное напряжение 1.2 - 1.3 В. Общее напряжение системы батарей может быть получено посредством увеличения этого напряжения объединением ячеек 46 последовательно друг с другом. Например, размещая последовательно 10 таких ячеек батарей 46, можно получить напряжение батареи от 12 до 13 В. Напряжение электрохимической реакции подвержено воздействию окружающей температуры. Влияние на напряжение является функцией температуры в градусах Кельвина к кратной мощности. Таким образом, при обычных изменениях температуры атмосферы напряжение радикально не изменяется. Далее, когда температура становится слишком высокой, преимущество от увеличенного напряжения реакции компенсируется проблемой чрезмерной химической коррозии компонентов батареи.

Общая емкость батареи, или плотность энергии, зависит от количества реагента в катодах 22 и анодах 24. Другими словами, сколько молекул реагента может реагировать на каждый свободный электрон.

С целью избыточности и для предотвращения отказа ячеек батарей 46, которые подсоединены параллельно к другим ячейкам батарей, от неблагоприятного воздействия таких ячеек батарей могут быть применены диоды, размыкатели цепи и реле для управления и предохранения от короткого замыкания в одной цепи от неблагоприятного воздействия на соседнюю параллельную цепь.

Ток, полученный системой батарей, определяется общей площадью поверхности или количеством реагента в системе батарей. Таким образом, для заданного размера ячейки батарей ток, полученный системой батарей, может быть увеличен с помощью подключения дополнительных ячеек батарей параллельно друг другу. Ток также является функцией расстояния между анодом 24 и катодом 22. Ток в заданной ячейке батарей управляется контактной эффективностью ионов из электролита на поверхностях электродов. Это в свою очередь зависит от расстояния, на которое должны перемещаться ионы через электролит для прохождения сепаратора. В этой конструкции расстояние меньше из-за меньшего влияния растяжения материала, как указано выше. Могут быть достигнуты более высокие токи заряда и разряда.

Приемлемые уровни тока заряда и разряда также управляются генерируемым теплом. Результирующая реакция разряда является слабоэкзотермической. Так как слой реагента очень тонок, а ячеистая структура включает в себя большой пустой объем, то генерируемое тепло на единицу объема является по существу меньше, чем в компактной конструкции одиночной батареи. Опять же, эта конструкция позволяет достичь больших токов.

Альтернативные электрохимические варианты осуществления

В качестве альтернативы NiMH батарее возможно использовать несколько других электрохимических вариантов осуществления или процессов. Пакет электродов 80 для никель-водородного (NiH₂) электрохимического воплощения изображен на фиг. 10. Катод 82 предпочтительно включает в себя три слоя, начиная со стекловолоконного, тефлонового или другого изолирующего материала, используемого для слоя подложки 84 катода 82. Присоединенным соседним к слою подложки 84 является слой 86 коллектора тока катода, состоящий из никеля (Ni). Присоединенным к слою 86 коллектора тока катода является слой 88 реагента катода, состоящий из гидроксида никеля (Ni(ОН)₂).

Аналогично, анод 90 изготовлен из трех слоев, начиная со слоя 92 подложки анода, состоящего из стекловолоконного, тефлонового или другого изолирующего материала. Присоединенным к слою подложки 92 анода является слой 94 коллектора тока анода, состоящий из никеля (Ni). Присоединенным к слою 94 коллектора тока катода является каталитический слой 96 анода, состоящий из платины (Pt).

Катод 82 и анод 90 подсоединены с противоположных сторон удлиненного сепаратора 98. Сепаратор 98 обладает свойством электрической изоляции катода 82 от анода 90, в то же время допуская прохождение ионов между ними через жидкий электролит (не изображен), который поступает в сепаратор 98. Предпочтительно, сепаратор 98 состоит из нейлона или полотна циркара. Раствор электролита является щелочной средой, состоящей из приблизительно 30 вес.% гидроксида калия (КОН) в воде. Все слои газопроницаемы или обладают перфорацией, чтобы позволить водороду и кислороду циркулировать в ячейке. В данном выполнении лицевые пластины должны включать каталитические участки для рекомбинации кислорода и водорода в случае перезарядки. Материал для капиллярного поступления должен быть таким, который позволял бы вновь образованной воде возвращаться в сепаратор между электродами. В противном случае сепаратор может высохнуть.

Реакция на катоде. NiOOH + H₂О + e^- _ Ni(OH)₂ + (ОН)^-

Реакция на аноде. 1/2 H₂ + (OH)^- _ H₂O + e^-

Результирующая реакция. 1/2H₂ + NiOOH _ Ni(OH)₂

Газообразный водород, генерируемый на аноде 90 во время заряда, удаляется от сепаратора 98 и в пустые полости ячеистой структуры. Большой объем пустот, имеющихся в ячеистой структуре позволяют батарее функционировать при пониженном давлении. В зависимости от конструкции может быть создана батарея, работающая при максимальном давлении 7.031 кг/см² и служащая в качестве структурной панели для большей конструкции. В типовых применениях для космических кораблей никель-водородные батареи работают при максимальном давлении до 140.62 кг/см². Создание суперпакета, ячеек батарей, лицевых пластин, электрических соединений, отверстий для заливки электролита и панели батарей то же самое, что и в NiMH варианте осуществления, описанном выше.

Дополнительно к элементам батареи, служащим в качестве структуры, окружающие пластины и прокладки образуют естественный контейнер для водорода, генерируемого во время заряда. Это устраняет необходимость в отдельном резервуаре высокого давления, снижая общий вес устройства, использующего этот тип электрохимии батареи.

Пакет электродов 100 в другом электрохимическом варианте осуществления, с использованием литий-ионного воплощения, изображен на фиг. 11. Катод 102 предпочтительно включает три слоя, начиная со стекловолоконного или тефлонового материала, используемого для слоя подложки 104 катода 102. Присоединенным смежным к слою подложки 104 является слой 106 коллектора тока катода, состоящий из никеля (Ni) или алюминия (Al). Присоединенным к слою 106 коллектора тока катода является слой 108 реагента катода, состоящий из вещества, которое может принимать и удерживать ионы лития, такого как диоксид марганца (MnO₂).

Аналогично, анод 110 состоит из трех слоев, начиная со слоя 112 подложки анода, содержащего стекловолокно или тефлон. Присоединенным к слою подложки 112 анода является слой 114 коллектора тока анода, состоящий из никеля (Ni) или алюминия (Al). Присоединенным к слою 114 коллектора тока анода является слой 116 реагента анода, состоящий из источника ионов лития, такого как металлический литий (Li). Катод 102 и анод 110 подсоединены к противоположным сторонам удлиненного сепаратора 118. Сепаратор 118 обладает электроизолирующими свойствами катода 102 от анода 110, в то же время разрешая прохождение между ними ионов. Предпочтительно сепаратор 118 состоит из полимерного вещества, стабилизирующего соль лития, которая обычно при комнатной температуре является расплавом.

Во время заряда или разряда ионы лития или образуются из металлического лития и мигрируют через сепаратор к диоксиду марганца или возвращаются сквозь сепаратор к металлическому литию. Получение суперпакета, ячеек батарей, лицевых пластин, электрических соединений и панели батарей то же самое, что и в NiMH варианте, описанном выше. Отверстия для заливки электролита не нужны. Подложки, коллекторы тока, сепаратор и реагенты служат в качестве композитного структурного элемента каркаса ячеистой структуры таким же образом, как в вышеописанных вариантах выполнения.

Из вышеприведенных примеров альтернативных вариантов электрохимического осуществления специалисту должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано почти с любой известной или еще не открытой электрохимической реакцией для батарей, таких как NiCd или свинцово-кислые батареи. Электродам и сепараторам необходимо придать удлиненную конфигурацию и создать материал с каркасом в виде ячеистой структуры, в котором они служат в качестве структурных элементов так же, как и элементами батарей, посредством этого позволяя распределить объем массы батареи по транспортному средству или устройству, требующему электрической энергии, и в которой элементы батареи выполняют другую полезную функцию для транспортного средства или устройства в дополнение к хранению энергии.

Альтернативные структурные варианты осуществления изобретения

Альтернативный структурный вариант осуществления пакета электродов 130 для NiMH изображен на фиг. 9. Пакет электродов 130 аналогичен первому варианту воплощения NiMH батареи, описанной выше применительно к фиг. 2. В данном варианте осуществления, однако, анод 132 является двусторонним, имеющим слой 134 коллектора тока на обеих сторонах слоя 136 подложки, а слой 138 реагента - на внешних сторонах слоев 134 коллектора тока. Катод 140 и сепаратор 142, идентичные катоду 22 и сепаратору 23, описанным выше, соединены к каждой стороне анода 132. Пакет электродов 130, полученный таким образом, является биполярным. Эта биполярная конструкция может быть применена в любом электрохимическом воплощении для батареи, такой которая описана выше.

Альтернативное воплощение панели батарей 48 на фиг. 6 и 7 изображено в виде панели батарей 150 на фиг. 12 и 13. В данном воплощении не существует ячеистой структуры пакета электродов. Вместо этого панель батарей 150 в данном варианте осуществления включает множество ячеек батарей 152, состоящих из пены. Фиг. 12 изображает панель батарей 150 с тремя такими ячейками 152, заключенными между верхней и нижней лицевыми пластинами 154 и 156 и парой перегородок 158 по концам. Каждая из этих трех ячеек 152 изолирована друг от друга с помощью слоя 160, ограничивающего ячейку, который является электрически изолирующей структурной пеной, такой как полистирен. В каждой ячейке 152 имеется биполярная конструкция с центральным анодом 162, сепаратором 164 с обеих ее сторон и катодом 166 на противоположных сторонах каждого из двух сепараторов 164. Как видно на увеличенном виде на фиг. 13, катод 166 включает никелевую пену с высокопористой поверхностью, которая пропитана гидроксидом никеля. Аналогичным образом поверхностные области анода 162 покрыты гидридом металлического никеля. Никелевая пена в аноде 162 и катоде 166 действует так, как действует слой коллектора тока в первом варианте осуществления. Электрический вывод в форме штыря 180 делают из анода 162 и катодов 166 сквозь верхнюю и нижнюю пластины 154 и 156 соответственно. Отверстия 182 для заливки электролита имеются в нижней пластине 156 для увлажнения сепаратора 164 раствором электролита гидроксида калия (не изображен). Видно, что такая структура обеспечивает ту же электрохимическую реакцию, что и в первом воплощении, а также предоставляет структуру с множеством имеющихся в ней полостей так, чтобы уменьшить массу и обеспечить возможность абсорбировать механическую энергию от удара.

Вспененные металлы и пластики представляют собой альтернативную легкую конструкцию панели, которая достигает тех же преимуществ, что и ячеистая структура. Большое количество пустых полостей в пене обеспечивает очень малый вес. Если пена заключена между лицевыми пластинами, то существует защита, и нагрузки распределяются в пене. Никелевая пена обычно включает в себя пустые полости, или пузырьки, которые необязательно соединены между собой (пена с закрытыми ячейками). Поверхность при разрезе является шероховатой и высокопористой поверхностью на коротком расстоянии вглубь. Эту поверхность пропитывают гидроксидом никеля с помощью химического или электрохимического процесса. Аналогично, анод покрывают металл-гидридным веществом. Вещество сепаратора является жесткой пеной с открытыми ячейками, которая является электроизолирующей, но способной абсорбировать электролиты, такие как гидроксид калия, и позволяет ионам перемещаться между двумя электродами. Четвертый пенистый материал обеспечивает изоляцию между соседними электродами. Он является жестким пенистым пластиком и может быть или с открытыми или с закрытыми ячейками. Он образует пограничный слой 160 ячейки между соседними ячейками 152. Электролит ограничен сепаратором 164 и поверхностями электродов 162 и 166. Большая часть пустых полостей во вспененном веществе, из которых состоят электроды 162 и 166, остается пустой, за исключением остаточных газов. Объем пенистого вещества, из которого состоят электроды 162 и 166, служит в качестве коллектора тока с очень низким импедансом. В данном варианте осуществления элементы батареи сконфигурированы так, чтобы создать легкий структурный материал. Таким образом, масса и объем батареи могут быть распределены по транспортному средству или устройству, требующему электроэнергию, и могут выполнять полезную функцию по отношению к транспортному средству или устройству.

Из примера альтернативной последовательности пакетов электродов для специалистов очевидно, что данное изобретение может иметь почти любую последовательность пакета электродов. Электроды и сепараторы могут быть сконфигурированы удлиненным образом и преобразованы в ячеистый материал каркаса, в котором они служат в качестве структурных элементов, также как и компоненты батареи, посредством этого позволяя распределить объем и массу батареи по транспортному средству или устройству, требующему электрической энергии, и в которой элементы батареи выполняют другую полезную функцию для транспортного средства или устройства в дополнение к хранению энергии.

Для специалистов очевидно, что может быть получено широкое разнообразие конструкций электродов и сепараторов, принадлежащих к специфическим вариантам воплощения ячеистой структуры и конфигурациям пены, в которых элементы батареи (электроды, сепараторы, коллекторы тока или изолирующие границы) служат в качестве легких структурных элементов, посредством этого позволяя распределить объем и массу батареи по транспортному средству или устройству, требующему электрической энергии, и в которой элементы батареи выполняют другую полезную функцию для средства передвижения или устройства в дополнение к хранению энергии.

Пример

Транспортное средство, изображенное на фиг. 8, такое как Shevrolet Suburban 1994 г., может весить в пределах 2948.335 кг, везти 136.077 кг бензина и иметь дальность хода 402.25 км. С большим запасом оценено, что средство передвижения с электродвигателем сравнимого размера потребует 35 кВт энергии на путешествие со скоростью 96.54 км/час. Для путешествия по меньшей мере на 321.8 км с этой скоростью 96.54 км/час потребуется, таким образом, 117 кВт-часов. Панель батарей размером 50.8 x 50.8 x 5.08 см, такая как панель батарей 48, описанная применительно к первому воплощению и изображенная на фиг. 7 и 8, хранит приблизительно 0.4 кВт-час энергии при весе 8 кг (17.6 фунта). Такая панель может стоить в пределах 78 долларов. Оценено, что при площади крыши у Suburban 304.8 x 152.4 см может быть использовано 18 таких панелей. Далее, нижнее основание и шасси позади теплоизоляционной перегородки могут быть заменены приблизительно на 112 таких панелей. Объем отделения для двигателя обеспечивает объем, в 135 раз больший объема одной такой панели, а боковые стенки и задняя дверь допускают размещение других 100 таких панелей. Всего, как оценивается, для Suburban может быть использовано приблизительно 365 объемов одной такой панели, обеспечивая приблизительно 150 кВт-час хранимой энергии.

Вес такой энергетической оболочки для обеспечения 116 кВт-час составит 928 кг (2048 фунтов). Так как энергетический кожух обеспечивает дополнительную функциональность, отличную от хранения энергии, то здесь не рассматривается избыточный вес, особенно по сравнению с современными конструкциями батарей, которые потребуют более 680.385 кг массы батареи в концентрированной форме в виде большого куска, которая может быть опасна при аварии. Настоящее изобретение служит предпочтительно для защиты находящихся в салоне при аварии, чем создается потенциальный риск, так как вес однородно распределен по транспортному средству и сам по себе является несущей частью, и структура с множеством полостей (так что ячеистая структура или пена) поглощает механическую энергию при ударе. К тому же, оцененная стоимость батареи для такого транспортного средства, использующего настоящее изобретение, находится в пределах 23000 долларов, такая же как для известных NiMH батарей, но образует корпус транспортного средства и структуру при практическом отсутствии избыточной стоимости.

Преимущества

Распределенная система батарей, согласно настоящему изобретению, применима не только к электромобилям, но также космическим кораблям, портативным электронным устройствам и беспроводным средствам источников энергии. В каждом из таких применений усовершенствованная конструкция батареи может быть использована для создания структуры для устройства, возможно образуя кожух или контейнер для устройства. В применениях для спутника механическая структура и батареи содержат два верхних источника массы в бестопливных управляемых автоматически спутниках. Объединение их функциональностей обеспечивает большую экономию массы. Такая система батарей, в отличие от других систем батарей, встроена в структуру устройства или средства передвижения, разделяя опорную часть и используя свободную площадь поверхности и объем для хранения больших количеств энергии при минимальном весе. С усовершенствованной конструкцией батарей, согласно настоящему изобретению, возможно сэкономить до 50% массы батареи, которая передается в большее количество топлива и, таким образом, продлевает время нахождения на орбите, возможно до 6 шести дополнительных месяцев. Типовые спутники связи приносят доход 2-4 млн. долл. в месяц при аренде, так что дополнительное время на орбите может дать более 10 млн. долл. в доход государства.

К тому же, усовершенствованная конструкция батареи, согласно настоящему изобретению, делает электромобили более осуществимыми и позволяет замену транспортных средств с двигателем углеводородными видами топлива. Далее, по сравнению с другими перезаряжаемыми батареями для электромобилей, система батарей согласно настоящему изобретению, может быть перезаряжена за более короткий промежуток времени из-за увеличенной емкости и площади поверхности системы батарей. Также возможно более быстрое время заряда из-за более коротких тепловых путей и распределенного теплового рассеяния, присущего конструкции.

Наконец, свойства структурной прочности и жесткости ячеистой структуры при малом весе являются значительным преимуществом системы батарей, согласно настоящему изобретению, так как она позволяет использовать сами батареи в качестве структурного элемента транспортного средства или устройства.

Вышеприведенное описание рассмотрено только как иллюстрация принципов изобретения. Кроме того, так как многочисленные модификации и изменения для специалистов будут очевидны, не требуется ограничивать изобретение точной конструкцией и способом, описанными выше. Соответственно, могут быть применены все подходящие модификации и эквиваленты, попадающие в объем изобретения, который определяется нижеследующей формулой изобретения.