композиционный материал и токоприемник для аккумуляторной батареи

Формула изобретения

1. Композиционный материал (10) включающий: первый слой пеноуглерода (11), включающий сеть пор (14); второй слой пеноуглерода (13), включающий сеть пор; и промежуточный связующий слой (12), расположенный между первым и вторым слоями пеноуглерода.

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что промежуточный связующий слой проникает, по крайней мере, в некоторые поры первого слоя пеноуглерода и, по крайней мере, некоторые поры второго слоя пеноуглерода.

3. Композиционный материал по п.2, отличающийся тем, что промежуточный связующий слой проникает в поры первого слоя пеноуглерода на глубину, равную или большую среднего размера пор первого слоя пеноуглерода, и проникает в поры второго слоя пеноуглерода на глубину равную или большую среднего размера пор второго слоя пеноуглерода.

4. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что промежуточный связующий слой включает электроизолирующий материал.

5. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что промежуточный связующий слой включает электропроводный материал.

6. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что каждый из первого и второго слоев пеноуглерода имеет средний размер пор между около 0, 25 мм и около 2,0 мм.

7. Токоприемник (2) для батареи (100), включающий: композиционный материал по п.1, и по крайней мере, один электрической соединительный элемент (21), расположенный между первым слоем пеноуглерода и вторым слоем пеноуглерода.

8. Батарея (100), включающая: корпус (110); положительную клемму (120) и отрицательную клемму (120), расположенную снаружи корпуса; по крайней мере один элемент (130), расположенный внутри корпуса и содержащий, по крайней мере одну положительную пластину и по крайней мере одну отрицательную пластину, подсоединенную к положительной клемме и отрицательной клемме, соответственно, при этом по крайней мере одна положительная пластина включает токоприемник по п.7, имеющий химически активную пасту, расположенную на первом и втором слоях пеноуглерода таким образом, что химически активная паста проникает, по крайней мере, в некоторые поры обоих первого и второго слоев пеноуглерода; и электролитический раствор, заполняющий объем между положительной и отрицательной пластинами.

9. Способ изготовления композиционного материала (1), включающий: обеспечение первым слоем пеноуглерода (11), включающим сеть пор (14); нанесение слоя связующего материала (12) на первый слой пеноуглерода; и размещение второго слоя пеноуглеродного материала (13), включающего сеть пор, на слой связующего материала для формирования собранной стопкой структуры.

10. Способ по п.9, далее включающий: применение тепла к собранной стопкой структуре и размягчение слоя связующего материала для упрощения проникновения связующего материала в поры первого и второго слоев пеноуглерода; и применение давления к собранной стопкой структуре.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Данное изобретение, в общем, относится к композиционному материалу и, более конкретно, к токоприемнику из композиционного материала для устройства хранения энергии.

Предпосылки создания изобретения

Известно, что батарея свинцовых аккумуляторов включает, по крайней мере, один положительный токоприемник, по крайней мере, один отрицательный токоприемник и электролитический раствор, включающий, например, серную кислоту (H₂SO₄) и дистиллированную воду. Обычно как положительный, так и отрицательный токоприемники в батарее свинцовых аккумуляторов выполняются из свинца. Роль этих свинцовых токоприемников заключается в передаче электрического тока на и от клемм батареи во время процессов разрядки и зарядки. Хранение и выделение электрической энергии в батареях свинцовых аккумуляторов приводится в действие химическими реакциями, которые происходят в пасте, расположенной на токоприемниках. Положительные и отрицательные токоприемники, однократно покрытые данной пастой, называются соответственно положительными и отрицательными пластинами. Заметным ограничением срока службы батарей свинцовых аккумуляторов является коррозия свинцового токоприемника положительной пластины.

Скорость коррозии свинцового токоприемника является основным фактором, определяющим срок службы батареи свинцового аккумулятора. Как только электролит из серной кислоты добавляется к батарее, и батарея заряжается, токоприемник каждой положительной пластины непрерывно подвергается коррозии в связи с воздействием серной кислоты и анодных потенциалов положительной пластины. Одним из наиболее разрушительных эффектов данной коррозии положительной пластины токоприемника является расширение объема. В частности, по мере того как свинцовый токоприемник корродирует, из свинца исходного металла токоприемника образуется двуокись свинца. Данная двуокись свинца как продукт коррозии имеет больший объем, чем свинцовый исходный материал, потребляемый для создания двуокиси свинца. Коррозия свинцового исходного материала и получаемое увеличение объема двуокиси свинца как продукта коррозии известны как расширение объема.

Расширение объема вызывают механические нагрузки на токоприемник, которые деформируют и растягивают токоприемник. При общем увеличении объема токоприемника, составляющем приблизительно от четырех (4%) до семи (7%) процентов, токоприемник может растрескаться. В результате падает мощность батареи и, постепенно, батарея достигнет конца своего срока службы. Кроме того, на последующих стадиях коррозии может произойти внутреннее замыкание внутри токоприемника и разрыв корпуса элемента. Оба этих эффекта коррозии могут привести к выходу из строя одного или более элементов внутри батареи.

Одним из способов продления срока службы батареи свинцовых аккумуляторов является увеличение сопротивляемости коррозии токоприемника положительной пластины. Было предложено несколько способов ингибирования процесса коррозии в батареях свинцовых аккумуляторов. Так как углерод не окисляется при температурах, при которых обычно работают батареи свинцовых аккумуляторов, некоторые из этих способов включали использование углерода в различных формах, для замедления или предотвращения разрушительного процесса коррозии, в батареях свинцовых аккумуляторов. Например, в патенте США №5512390 (далее именуемом патентом '390) раскрывается батарея свинцовых аккумуляторов, которая включает токоприемники, выполненные из графитовых пластин, вместо свинца. Графитовые пластины имеют достаточную проводимость для того, чтобы работать в качестве токоприемников, и они обладают большей устойчивостью к коррозии, чем свинец. Заменяя свинцовые токоприемники графитовыми пластинами, таким образом можно продлить срок службы батареи свинцовых аккумуляторов.

В то время как батарея по патенту '390 может потенциально предложить удлиненный срок службы, в результате снижения коррозии положительной пластины, графитовые пластины патента '390 являются проблематичными. Например, графитовые пластины по патенту '390 являются плотными плоскими листами материала, каждый из которых имеет относительно маленькую площадь поверхности. В отличие от свинцовых пластин электродов обычной батареи свинцовых аккумуляторов, которые обычно собраны в сетчатую структуру, для увеличения имеющейся площади поверхности пластин, графитовые пластины по патенту '390 являются гладкими пластинами без формирования рельефа. В батареях свинцовых аккумуляторов увеличение площади поверхности токоприемников может увеличить удельную энергию батареи и, следовательно, может привести к улучшенным характеристикам батареи. Большая площадь поверхности на токоприемниках может также привести к снижению времени, необходимого для зарядки и разрядки батареи. Относительно малая площадь поверхности графитовых пластин по патенту '390 приводит к плохо работающим батареям, имеющим медленные скорости зарядки.

Дополнительно у графитовых пластин по патенту '390 отсутствует жесткость свинцовых токоприемников. Плотные графитовые пластины по патенту '390 являются хрупкими и могут растрескаться при воздействии физического удара или вибрации. Подобный физический удар и вибрация обычно возникают при использовании, например, в транспортных средствах. Любое растрескивание графитовых пластин привело бы к таким же проблемам, вызываемым расширением объема обычных свинцовых токоприемников. Следовательно, несмотря на предложение увеличения устойчивости к коррозии, по сравнению с обычными свинцовыми токоприемниками, хрупкий характер графитовых пластин по патенту '390 мог бы фактически привести к более коротким срокам службы батареи, чем сроки, возможные при использовании обычных свинцовых токоприемников.

Настоящее изобретение направлено на преодоление одной или более из проблем или недостатков предшествующего уровня техники.

Краткое содержание изобретения

Один аспект настоящего изобретения включает композиционный материал. Композиционный материал содержит первый слой из пеноуглерода, включающий сеть пор и второй слой из пеноуглерода, включающий сеть пор. Промежуточный связующий слой расположен между первым и вторым слоями из пеноуглерода.

Второй аспект настоящего изобретения включает способ изготовления композиционного материала. Данный способ включает обеспечение первым слоем пеноуглерода, включающим сеть пор и наложение слоя связующего материала на первый слой пеноуглерода. Второй слой из пеноуглеродного материала, который включает сеть пор, затем помещается на слой связующего материала, для формирования уложенной стопкой структуры.

Третий аспект настоящего изобретения включает токоприемник для аккумуляторной батареи. Токоприемник включает первый слой пеноуглерода, имеющий сеть пор и первый электрический соединительный элемент, предусмотренный на первом слое из пеноуглерода. Промежуточный связующий слой предусмотрен на первом электрическом соединительном элементе и первом слое из пеноуглерода, а второй слой пеноуглерода, включающий сеть пор, предусмотрен на промежуточном связующем слое.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые включены в данный материал и составляют неотъемлемую часть данной спецификации, иллюстрируют примеры осуществления изобретения и вместе с письменным описанием служат для объяснения принципов изобретения. В чертежах:

фиг.1 представляет собой поперечное сечение композиционного материала в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

фиг.2А представляет собой вид сверху токоприемника в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

фиг.2В является поперечным сечением токоприемника по фиг.2А, сделанным вдоль линии 2А;

фиг.3 представляет собой электрический соединительный элемент в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

фиг.4А является видом сверху другого токоприемника в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

фиг.4В является поперечным сечением токоприемника по фиг.4А, сделанньм вдоль линии 4А;

фиг.5 представляет собой графическое изображение «вырезанной» части, представляющей батарею в разрезе, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Детальное описание

В последующем описании делается ссылка на сопроводительные чертежи, которые образуют его часть и в которых в виде иллюстраций показаны примеры осуществления, в которых может быть использовано изобретение. Эти примеры осуществления изобретения достаточно детально описаны, чтобы специалисты в данной области могли использовать изобретение, и следует понимать, что могут быть использованы и другие примеры осуществления изобретения, не отклоняясь от объема настоящего изобретения. Следовательно, следующее описание не должно рассматриваться как ограничивающее. Где это возможно, во всех чертежах для обозначения одинаковых или подобных деталей используются одинаковые номера.

Как показано на фиг.1, композиционный материал 10 содержит два слоя пористого пеноуглерода 11, 13. Промежуточный слой связующего материала 12 расположен между слоями 11 и 13 пеноуглерода. Связующий материал 12 скрепляет вместе слои 11 и 13 из пеноуглерода и обеспечивает структуральную поддержку для композиционного материала 10.

Пеноуглерод, используемый для образования слоев 11 и 13 композиционного материала 10 является электропроводным. В некоторых формах пеноуглерод может давать значения сопротивляемости листов менее чем около 1 Ом/см. В других формах пеноуглерод может еще иметь значения сопротивляемости листов менее чем около 0,75 Ом/см. Электропроводность слоев 11 и 13 пеноуглерода позволяет использовать композиционный материал 10 в разных применениях, таких как, например, токоприемники в аккумуляторных батареях.

Пеноуглерод, используемый для образования слоев 11 и 13 пеноуглерода композиционного материала 10, также обладает устойчивостью к коррозии. Вообще, углерод окисляется только при очень высоких температурах и будет сопротивляться коррозии даже в коррозионных средах. Пеноуглерод, используемый в композиционном материале 10, сохраняет данную устойчивость коррозии, и, следовательно, композиционный материал 10 может использоваться, например, в коррозионной среде батареи свинцовых аккумуляторов.

Кроме того, слои 11 и 13 пеноуглерода обладают малым весом из-за присутствия сети пор 14. Пеноуглерод по настоящему изобретению может включать общее значение пористости по крайней мере 60%. Другими словами, по крайней мере 60% объема слоев 11 и 13 пеноуглерода включено в поры 14. Более того, пеноуглерод может иметь значение открытой пористости по крайней мере 90%. Другими словами по крайней мере 90% пор 14 открыты для примыкающих пор таким образом, что сеть пор 14 образует практически открытую сеть. Данная открытая сеть пор 14 может привести к плотности около менее 0,6 г/см³ для каждого из слоев 11 и 13 из пеноуглерода. Далее, средний размер пор пеноуглерода может находиться между 0,25 мм и около 2,0 мм.

В дополнение к пеноуглероду для образования композиционного материала 10 может также использоваться пенографит. Один вид подобного пенографита под торговым наименованием PocoFoam предлагается компанией Росо Graphite, Inc. Плотность и структура пор пенографита может быть подобна пеноуглероду. Основное различие между пенографитом и пеноуглеродом заключается в ориентации атомов углерода, которые составляют структуральные элементы пены. Например, в пеноуглероде углерод может быть в основном аморфным. Однако в пенографите большая часть углерода упорядочена в графитовую слоистую структуру. В связи с упорядоченным характером графитовой структуры пенографит дает более высокую проводимость, чем пеноуглерод. Пенографит PocoFoam проявляется значениями электрической сопротивляемости между около 100 мкОм/см и около 400 мкОм/см.

В композиционном материале 10 связующий материал 12 расположен между слоями 11 и 13 пеноуглерода. Связующий материал 12 скрепляет слои пеноуглерода 11 и 13 вместе путем проникновения, по крайней мере, в некоторые поры 14 слоя 11 пеноуглерода и, по крайней мере, в некоторые поры 14 слоя 13 пеноуглерода. В примере осуществления изобретения, связующий материал 12 проникает в поры слоя 11 пеноуглерода на глубину, равную или большую, чем средний размер пор слоя 11. Подобным же образом в примере осуществления изобретения связующий материал 12 может проникать в поры слоя 13 пеноуглерода на глубину, равную или большую, чем средний размер пор слоя 13. Глубина проникновения связующего материала 12 в слои 11 и 13 пеноуглерода не ограничивается глубинами, равными, по крайней мере, среднему размеру пор слоев 11 и 13. Предпочтительно, подходящая связь может быть создана при глубине проникновения, достаточной для включения, по крайней мере, одной углеродной структуры (например, элементов, граничащих с порой), внутрь слоев 11 и 13 пены. Проникновение связующего материала 12 в слои 11 и 13 пеноуглерода представлено на фиг.1 соответственно зонами проникновения 15 и 16.

В качестве связующего материала 12 могут использоваться разнообразные материалы. Связующий материал 12 может включать электроизолирующий материал, содержащий полимер. Например, в одном примере осуществления изобретения связующий материал 12 может включать полипропилен. В еще одном примере осуществления изобретения связующий материал 12 может включать любые из широкого диапазона эпоксидных смол. В еще одном примере осуществления изобретения в качестве связующего материала 12 может использоваться электропроводный материал. Подобный электропроводный материал может включать, например, различные металлы и электропроводные полимеры.

Для того чтобы изготовить композиционный материал по настоящему изобретению, слой связующего вещества наносится на лист пеноуглеродного материала. Далее, второй лист пеноуглеродного материала помещается на слой связующего материала для формирования уложенной стопкой многослойной структуры. Если связующий материал наносится как твердый, как в случае большинства полимеров и металлов, тогда к многослойной структуре может применяться тепло для размягчения и/или плавления связующего материала. Размягчение и/или плавление связующего материала способствует проникновению связующего материала в поры пеноуглерода. В дополнение к теплу к многослойной структуре может также применяться давление.

Применение внешнего давления может помочь в подталкивании связующего материала к проникновению в поры пеноуглерода. В типовом примере осуществления настоящего изобретения тепло и давление применяются одновременно. Однако в некоторых ситуациях тепло может применяться исключая давление. В других ситуациях применение тепла может происходить отдельно от применения давления.

В случаях, когда связующий материал применяется в качестве жидкого вещества, подобно, например, эпоксидной смоле, связующий материал может проникать в поры каждого из двух слоев пеноуглерода без необходимости применения тепла или давления. Тем не менее, даже в случае нанесения связующего материала в качестве жидкости применение тепла и давления может облегчить проникновение связующего материала в поры пеноуглерода путем снижения вязкости связующего материала.

Фиг.2А и 2В иллюстрируют токоприемник 20, который включает композиционный материал по данному изобретению. Как показано на фиг.2А и 2В, токоприемник 20 включает слои пеноуглерода 11 и 13, соединенные вместе с помощью проводящего связующего материала 22. Связующий материал 22 проникает, по крайней мере, в некоторые поры слоев пеноуглерода 11 и 13. Далее, связующий материал 22 может проникнуть в поры слоев пеноуглерода 11 и 13 на глубину, равную или большую соответственно среднему размеру пор слоев 11 и 13.

Электрический соединительный элемент 21 расположен внутри связующего материала 22 и обеспечивает внешнее электрическое соединение для токоприемника 20. Электрический соединительный элемент 21 включает контакт 31, который распространяется за пределы либо одного или обоих слоев пеноуглерода 11 и 13. Электрический соединительный элемент 21 также включает, по крайней мере, одну электропроводную часть 33 (фиг.3), которая размещается внутри токоприемника 20.

В примере осуществления изобретения, показанном на фиг.2А и 2В, связующий материал 22 токоприемника 20 является электропроводным материалом. Например, связующий материал 22 может включать металл или электропроводный полимер. Так как связующий материал 22 является электропроводным, внешнее электрическое соединение с токоприемником 20 может происходить с использованием только одного электрического соединительного элемента 21. В частности, контакт 31 может осуществлять электрический контакт с обоими слоями пеноуглерода 11 и 13 через связующий материал 22.

Фиг.3 иллюстрирует электрический соединительный элемент 21 в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Электрический соединительный элемент 21 включает контакт 31 и, по крайней мере, одну электропроводную часть 33, которая простирается в сторону от контакта 31. В то время как контакт 31 и по крайней мере одна электропроводная часть 33 могут быть выполнены из металла, в примере осуществления изобретения, показанном на фиг.3, так контакт 31 и электропроводная часть 33 могут быть образованы из множества углеродных волокон. Конкретно, контакт 31 может быть образован множеством углеродных волокон, расположенных рядом друг с другом и соединенных вместе. Распространяясь от контакта 31, множество углеродных волокон могут быть растянуты и формировать электропроводную часть 33. Растяжка волокон, как показано на фиг.3, обеспечивает относительно равномерное распределение углеродных волокон, например, по токоприемнику 20. Подобное распределение помогает поддерживать хороший электрический контакт между контактом 31 и слоями пеноуглерода 11 и/или 13.

Контакт 31 может также включать покрытие 32, которое может использоваться для образования некоторых типов электрических соединений с контактом 31. Например, когда используются углеродные волокна для изготовления контакта 31, покрытие 32 может содержать металл. Подобное металлическое покрытие улучшает долговечность контакта 31 и способствует хорошему электрическому контакту между контактом 31 и внешним контуром.

Фиг.4А и 4В иллюстрирует еще один токоприемник 40, включающий композиционный материал по настоящему изобретению. Как показано на фиг.4А и 4В, токоприемник содержит слои пеноуглерода 11 и 13, соединенные вместе связующим материалом 42. Подобно связующему материалу композиционного материала 10, связующий материал 42 проникает в, по крайней мере, некоторые поры слоев пеноуглерода 11 и 13. Далее, связующий материал 42 может проникать в поры слоев пеноуглерода 11 и 13 на глубину, равную или большую среднему размеру пор слоев 11 и 13 соответственно.

В примере осуществления изобретения, показанном на фиг.4А и 4В, связующий материал 42 является электрически изолирующим материалом. Так как связующий материал 42 является электрически изолирующим, внешнее электрическое соединение с токоприемником 40 может быть выполнено при использовании двух электрических соединительных элементов 21. В частности, при изготовлении токоприемника 40, первый электрический соединительный элемент 21 может быть расположен, например, на слое пеноуглерода 11. Тогда связующий материал 42 наносится как на первый электрический соединительный элемент, так и на слой пеноуглерода 11. Так как электроизолирующий связующий материал 42 покрывает первый электрический соединительный элемент 21, дополнительный электрический соединительный элемент может потребоваться для осуществления контакта со слоем пеноуглерода 13, который наносится на связующий материал и образует многослойную структуру. Следовательно, перед помещением слоя пеноуглерода 13 на связующий материал 42, второй электрический соединительный элемент 21 может быть помещен на связующий материал 42. Второй электрический соединительный элемент 21 обеспечивает внешний электрический контакт со слоем пеноуглерода 13.

Соответственно, два электрических соединительных элемента 21 показаны на фиг.4В, каждый из которых расположен у исходной границы раздела (т.е. перед проникновением связующего материала 42 в любой из слоев пеноуглерода 11 или 13) между связующим материалом 42 и слоями пеноуглерода 11 и 13 соответственно. Электрические соединительные элементы 21, которые могут иметь конфигурацию, показанную на фиг.3, например, не мешают проникновению связующего материала 42 в поры соответствующих слоев пеноуглерода.

В то время как пример осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг.4В, включает два электрических соединительных элемента 21, электрические соединения со слоями пеноуглерода 11 и 13 могут быть выполнены посредством различных конфигураций. Например, отдельный электрический соединительный элемент 21 может иметь такую конфигурацию, когда электропроводные части 33 осуществляют электрический контакт с обоими слоями пеноуглерода 11 и 13. Например, проводящие части 33 могут быть скомпонованы таким образом, что некоторые из проводящих частей контактируют со слоем пеноуглерода 11, а другие проводящие части контактируют со слоем пеноуглерода 13. Альтернативно, электрический соединительный элемент 21 может иметь размер, обладающий достаточной толщиной относительно толщины связующего материала 42, так что отдельный соединительный элемент 21 может вступать в контакт с обоими слоями пеноуглерода 11 и 13. В этих примерах осуществления будет достаточно одного электрического соединительного элемента 21.

Фиг.5 иллюстрирует батарею 100 в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Батарея 100 включает корпус 110 и клеммы 120, которые расположены снаружи корпуса 110. По крайней мере один элемент аккумуляторной батареи 130 расположен внутри корпуса 110. В то время как необходим только один элемент 130, множество элементов могут быть соединены последовательно для обеспечения желаемого общего потенциала батареи 100.

Каждый элемент 130 может состоять из чередующихся положительных и отрицательных пластин, погруженных в электролитический раствор, включающий, например, серную кислоту и дистиллированную воду. Как положительная, так и отрицательная пластины содержат токоприемник, заполненный пастообразным веществом, включающим, например, окись свинца. Как отмечалось ранее, на фиг.2А, 2В, 4А и 4В показаны токоприемники 20 и 40 в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, которые могут использоваться для образования положительных и отрицательных пластин батареи 100. Химические реакции в пасте, расположенной на токоприемниках батареи, обеспечивают хранение и высвобождение энергии. Состав этой пасты, а не материал, выбранный для токоприемника, определяет, будет ли данный токоприемник функционировать в качестве либо положительной, либо отрицательной пластины.

Для создания положительных и отрицательных пластин батареи 100 химически активная паста наносится на токоприемники 20, 40 таким образом, чтобы химически активная паста проникала в сеть пор в пеноуглероде токоприемника. Первоначально химически активная паста, которая наносится на токоприемники 20, 40 как положительной, так и отрицательной пластин, может быть практически одинаковой с точки зрения химического состава. Например, паста может включать оксид свинца (PbO). Другие оксиды свинца могут также быть приемлемыми. Паста может также включать различные добавки, включая, например, различный процент свободного свинца, структуральные волокна, проводящий материал, углерод и удлинители для аккомодации изменений объема во время срока службы батареи. На практике составные части химически активной пасты могут быть смешаны с небольшим количеством серной кислоты и водой для образования пасты, которая может располагаться в порах 14 токоприемников 20, 40.

Как только паста была осаждена на токоприемниках 20, 40, формируются положительные и отрицательные пластины. Для создания положительной пластины токоприемники 20, 40, включая пасту из оксида свинца, например, подвергаются процессу отверждения. Этот процесс отверждения может включать подвергание токоприемников 20, 40 с пастой воздействию повышенных температур и влажности, чтобы способствовать росту кристаллов сульфата свинца внутри пасты. Для создания отрицательной пластины токоприемники 20, 40, включая пасту оксида свинца, могут быть оставлены в своем прежнем состоянии, за исключением возможного этапа сушки.

Когда положительная и отрицательная пластины были собраны вместе для образования элементов батареи 100 (как показано на фиг.5), батарея 100 подвергается процессу зарядки (т.е. формированию). Во время процесса зарядки отвержденная паста положительной пластины электрически приводится к двуокиси свинца (РbO2), а паста отрицательной пластины преобразуется в губчатый свинец. Наоборот, при последующей разрядке батареи 100 пасты обеих положительных и отрицательных пластин преобразуются в сульфат свинца.

Промышленная применимость

Композиционный материал по настоящему изобретению имеет широкую область применения и может быть полезен в любой области, где необходимы материалы, обладающие сопротивляемостью коррозии, большой площадью поверхности, электропроводностью или низким весом. В одном из возможных применений композиционный материал по настоящему изобретению может служить в качестве токоприемника в батарее, подобной, например, батарее свинцовых аккумуляторов. Токоприемники могут поддерживать химически активные компоненты батареи и способствовать потоку тока между клеммами батареи.

Так как токоприемники 20, 40 включают пеноуглерод, они обладают сопротивляемостью коррозии при воздействии серной кислоты и анодных потенциалов положительной пластины в батарее свинцовых аккумуляторов. В результате, батарея может иметь значительно более долгий срок службы по сравнению с батареями без токоприемников на пеноуглероде.

Пеноуглерод включает сеть пор, обеспечивающую большое количество площади поверхности для токоприемника 20, 40. Токоприемники, состоящие из пеноуглерода, могут обладать более чем в 2000 раз большей площадью поверхности по сравнению с обычными свинцовыми токоприемниками. Большое количество площади поверхности, обеспечиваемое токоприемниками 20, 40, приводит к тому, что батареи обладают большими значениями удельной энергии. Например, из-за открытого элемента, пористой сети и относительно малого размера пор пеноуглеродных материалов химически активная паста положительных и отрицательных пластин тесно интегрируется с проводящим углеродным материалом токоприемников 20, 40. Следовательно, электроны, производимые в химически активной пасте в определенной зоне реакции, должны перемещаться только на короткие расстояния по пасте до столкновения с проводящим пеноуглеродом токоприемников 20, 40. Этот ток может быть затем перенесен, например, электропроводной частью 33 электрического соединительного элемента 21.

В результате батареи с токоприемниками из пеноуглерода 20, 40, могут давать улучшенные значения удельной энергии и мощности. Другими словами, эти батареи, при размещении под нагрузку, могут удерживать свое напряжение над заранее заданным пороговым уровнем в течение более длительного времени, чем батареи, включающие свинцовые токоприемники или токоприемники из графитовой пластины. Также, эти батареи могут разряжаться значительно быстрее, чем батареи, включающие свинцовые токоприемники или токоприемники с графитовыми пластинами.

Увеличенные значения удельной мощности, обеспечиваемые батареями по настоящему изобретению, также приводят к снижению времени зарядки. Таким образом, батареи могут применяться в тех случаях когда, энергия зарядки предоставляется только на ограниченный период времени. Например, в транспортных средствах, когда большая часть энергии теряется во время обычного торможения, эта энергия торможения может быть задержана и использована для зарядки батареи, например, транспортного средства с комбинированной силовой установкой. Однако энергия торможения существует только в течение короткого периода времени (т.е. во время возникновения торможения). С учетом сокращенного времени зарядки батареи по настоящему изобретению могут обеспечить эффективное средство хранения подобной энергии торможения.

Пористый характер токоприемников из пеноуглерода также создает улучшенную подложку для сохранения химически активной пасты устройства хранения энергии. Путем импрегнирования пасты в поры токоприемников из пеноуглерода существует меньше вероятности отделения пасты от токоприемников. Это свойство является важным при применении в транспортных средствах и других областях, где вибрация является обычной.

Далее, при включении токоприемников из пеноуглерода, имеющих плотность менее 0,6 г/см³, батарея может весить значительно меньше, чем батареи, включающие свинцовые токоприемники или токоприемники на графитовых пластинах. Другие аспекты и признаки настоящего изобретения могут быть выявлены после изучения чертежей, раскрытия изобретения и прилагаемой формулы.