Вузол пластини для свинцево-кислотної батареї (варіанти) та багатошаровий композитний лист для неї

Реферат: Багатошаровий композитний лист для використання в свинцево-кислотній батареї включає в себе а) базовий шар, що включає в себе папір або скловолокнисту мату; b) шар полімерних нановолокон, приєднаний окремими клейкими частинками до першої поверхні базового шару; і с) полотняний шар, приєднаний окремими клейкими частинками до поверхні шару нановолокон, протилежної базовому шару. Вузол пластини для свинцево-кислотної батареї включає в себе один або декілька даних багатошарових композитних листів, що розташовані поруч або частково оточують свинцеву пластину. UA 97720 C2 (12) UA 97720 C2 UA 97720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Дана заявка заявляє пріоритет попередньої заявки США №61/007082, зареєстрованої 11 грудня 2007, зміст якої включений сюди за допомогою посилання. Свинцево-кислотні батареї містять свинцеві пластини, які можуть бути виготовлені шляхом нанесення водної пасти оксиду свинцю (РbО) на свинцеву решітку і потім сушіння даних гратів. У деяких способах, наприклад способах безперервного лиття, оксид свинцю утримується на місці за допомогою оклеювального паперу в той час, коли пластина сушиться. У інших способах, таких як способи стрічкового лиття, оклеючний папір не потрібний. Після сушіння пластини "формують" шляхом додавання електричного заряду до пластин в той час, коли вони навантажені в 6-молярний розчин сірчаної кислоти, одержуючи позитивні і негативні пластини. Новітні способи виготовлення включають в себе додавання розширювальних матеріалів (порошкових сульфатів) в пасту для одержання негативних пластин, тим самим усуваючи необхідність формування пластин. У будь-якому випадку потім вставляють сепаратор між пластинами протилежної полярності, фізично розділяючи їх. Основною задачею сепаратора є запобігання короткому замиканню через дотикання частинок між пластинами протилежного заряду. Після введення сепаратора протилежно спарені пластини вміщують в комірку корпусу батареї, додають електроліт (розбавлену сірчану кислоту), і приєднують кришку. Оклеювальний папір (якщо присутній) звичайно розпадається згодом через контакт з електролітом. Типовим сепаратором є мат з скловолокна. Хоча мат повинен діяти як бар'єр для запобігання дотиканню частинок між пластинами, він не повинен дуже заважати перенесенню іонів в розчині між пластинами, або результатом буде знижена продуктивність. Остання властивість заохочує використання відносно відкритого, пористого мата, але це може потребувати того, щоб мат був товщий, щоб запобігати дотиканню частинок. Звичайні сепаратори мають загальну товщину 4-6 мм (0,157-0,236 дюймів). Це займає додатковий об'єм в батареї і заміняє електроліт. Це обмежує продуктивність батареї в параметрах ємності і швидкості розрядження через меншу кількість сірчаної кислоти, доступної для іонного обміну. Також тенденція в напрямі менших фізичних розмірів батареї робить ці об'ємисті звичайні сепаратори менш зручними. У деяких батареях сепаратор з скляного мата може являти собою так званий "поглинаючий скляний мат", який заповнює, по суті, весь простір між пластинами, і який поглинає сірчанокислотний електроліт, так що, по суті, немає вільної рідкої кислоти. Така батарея може використовуватися верх дном або на боці без побоювання витоку кислоти. Багато які з тих же проблем властиві як поглинаючим скляним матам, так і традиційним сепараторам, тобто бажання мінімізувати товщину і все ще запобігати дотиканню частинок мають тенденцію бути протилежними цілями. Таким чином, способи і пристрої для розділяючих батарею пластин, які звернені до цих або інших сучасних обмежень свинцево-кислотних батарей, будуть комерційно вигідними. У одному аспекті даний винахід забезпечує багатошаровий композитний лист для використання в свинцево-кислотній батареї. Даний лист включає в себе а) базовий шар, що включає в себе папір або скловолокнистий мат; b) шар полімерних нановолокон, приєднаний окремими клейкими частинками до першої поверхні базового шару; і с) полотняний шар, приєднаний окремими клейкими частинками до поверхні шару нановолокон, протилежного базовому шару. У іншому аспекті даний винахід забезпечує зібрану пластину для свинцево-кислотної батареї. Зібрана пластина включає в себе свинцеву пластину, що має першу і другу протилежні поверхні, покриті відповідно першим і другим шарами, що включають в себе оксид свинцю, де дані перший і другий шари контактують з першим і другим багатошаровими композитними листами відповідно, де кожний з композитних листів включає в себе: а) паперовий базовий шар; b) шар полімерних нановолокон, приєднаний окремими клейкими частинками до першої поверхні паперового базового шару; і с) полотняний шар, приєднаний окремими клейкими частинками до поверхні шару нановолокон, протилежного паперовому базовому шару; де кожний з першого і другого шарів даної пластини розташований поруч з паперовим базовим шаром першого і другого багатошарових композитних листів відповідно на його другій поверхні, протилежній першій поверхні, і приєднаний до нього, і де перший і другий багатошарові композитні листи склеєні разом так, що оточують дану свинцеву пластину з трьох боків. 1 UA 97720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У ще одному аспекті даний винахід забезпечує вузол пластини для свинцево-кислотної батареї. Вузол пластини включає в себе свинцеву пластину, що має першу і другу протилежні поверхні, покриті відповідно першим і другим шарами, що включають в себе оксид свинцю, де щонайменше один з першого і другого шарів контактує з багатошаровим композитним листом, що включає в себе: а) базовий шар з скловолокнистого мата; b) шар полімерних нановолокон, приєднаний окремими клейкими частинками до першої поверхні базового шару з скловолокнистого мата; і с) полотняний шар, приєднаний окремими клейкими частинками до поверхні шару нановолокон, протилежного базовому шару з скловолокнистого мата; де щонайменше один з першого і другого шарів даної пластини розташований поруч з базовим шаром з скловолокнистого мата даного багатошарового композитного листа на його другій поверхні, протилежній першій поверхні. Фіг. 1а являє собою схематичне зображення багатошарового композитного листа, відповідного для використання як сепаратор батареї згідно з даним винаходом. Фіг. 1b - схематичне зображення обладнання, відповідного для виготовлення багатошарового композитного листа згідно з даним винаходом. Фіг. 2 - мікрофотографія паперу, відповідного для виготовлення багатошарового композитного листа згідно з даним винаходом. Фіг. 3 - мікрофотографія сітки нановолокнистого шару, відповідної для виготовлення багатошарового композитного листа згідно з даним винаходом. Фіг. 4 - мікрофотографія сітки нановолокнистого шару на фіг. 3 при більш високому збільшенні. Фіг. 5 - схематичне зображення в розрізі пластини батареї, що використовує багатошаровий композитний лист згідно з даним винаходом. Винахід буде тепер описаний з посиланням на фігури, де однакові номери вказують однакові ознаки. Фігури зображають певні, не обмежуючі варіанти здійснення даного винаходу. Фіг. 1а, 1b і 5 дані не в масштабі і не призначені служити як інженерні креслення. Даний винахід забезпечує багатошаровий композитний лист, відповідний для використання як сепаратор батареї, схематично показаний на фіг. 1а. У деяких варіантах здійснення даний лист може бути використаний як комбінація оклеювальний папір/сепаратор батареї, як буде тепер обговорюватися. Лист, показаний, загалом, під номером 10, включає в себе волокнистий шар 12, на якому знаходиться електрично не провідний шар 14 полімерних нановолокон, на якому, в свою чергу, знаходиться полімерний полотняний шар 16. У даному випадку волокнистий шар 12 являє собою оклеювальний папір. Окремі частинки адгезиву 18 приклеюють нановолокнистий шар до паперового шару і полотняного шару, тим самим об'єднуючи три шари з утворенням композитного шару. У цьому конкретному варіанті здійснення адгезив пронизує нановолокнистий шар, так що дані частинки адгезиву можуть безпосередньо контактувати з всіма трьома шарами одночасно. Однак для деяких адгезивних частинок також прийнятно приклеювати паперовий і нановолокнистий шар один до одного, тоді як інші приклеюють нановолокнистий шар до полотняного шару. Волокнистий шар 12 може бути з будь-якого сорту паперу, що звичайно застосовується з метою обклеювання батареї. Виробники придатних паперів включають в себе Glatfelter, Crystex, MB Paperles і Purico. Даний папір виконує звичайну функцію оклеювального паперу, тобто він робить можливу хорошу адгезію суспензії оксиду свинцю до пластини під час її приготування. Нановолокнистий шар 14 є легко проникним для електроліту, але, по суті, непроникним для частинок сполук свинцю, які можуть бути присутнім в батареї. Таким чином, нановолокнистий шар діє як сепаратор, відвертаючи таким частинкам від утворення перемичок між пластинами і від короткого замикання батареї. Діаметр нановолокон звичайно становить щонайменше 40 нм і більш типово щонайменше 100 нм. Діаметр звичайно становить, найбільше, 1000 нм, більш типово, найбільше, 700 нм і найбільш типово, найбільше, 400 нм. Нановолокнистий шар звичайно має товщину, найбільше, 5000 нм або, найбільше, 3000 нм. Він звичайно має товщину щонайменше 200 нм або щонайменше 500 нм, або щонайменше 1000 нм, і найбільш типово товщину приблизно 2000 нм в середньому. Даний шар буде мати середні діаметри пор звичайно, найбільше, 1000 нм і, більш типово, найбільше, 500 нм. Пори звичайно мають діаметр щонайменше 100 нм в середньому. Відповідні нановолокнисті матеріали звичайно являють собою синтетичні полімери і включають в себе полімери, які хімічно стійкі до електроліту. Вони включають в себе нейлон, полівінілхлорид, полістирол, поліпропілен, поліетилен і співполімери етилену і/або пропілену з альфа-олефінами. 2 UA 97720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Полотняний шар 16 забезпечує опору для нановолокнистої сітки і виготовляється з електрично не провідного матеріалу, який хімічно стійкий до сірчаної кислоти. Полотно звичайно буде мати досить відкриту структуру і звичайно буде мати товщину сітки 0,5-2 мм (0,02-0,08 дюйми), щоб забезпечити достатню міцність, а також фізичне розділення пластин. Він може бути зроблений з матеріалів, подібних матеріалам, описаним вище для виготовлення нановолокнистого шару. Одне типове полотно являє собою легкий нетканий поліпропілен, що продається під назвою Pureflow. Різні сита, такі як сита, зроблені з нейлону, поліпропілену і поліетилену, також можуть бути використані. Адгезивні частинки 18 можуть бути приготовані з гарячого розплаву адгезиву, наприклад Loctite's Hysol SprayPac Polyshot. Декілька переваг може бути реалізована шляхом використання багатошарового композитного листа згідно з даним винаходом як комбінація оклеювального папір/сепаратор батареї. Збільшений об'єм електроліту, придбаний внаслідок заміни традиційного товстого сепаратора даним, більш тонким сепаратором, буде звичайно збільшувати ємність батареї, і додатковий об'єм буде також звичайно поліпшувати продуктивність батареї шляхом кращого змочування пластини і збільшеного перенесення кислоти. Електричний опір звичайно буде знижуватися через більш тонку матрицю нановолокнистої сітки, даючи, таким чином, більш високі доступні швидкості розрядження. Витрати на матеріал і спосіб звичайно будуть значно знижуватися шляхом усунення необхідності виготовляти і встановлювати окремо стоячий сепаратора. У іншому варіанті здійснення волокнистий шар 12 багатошарових композитних листів 10 являє собою поглинальний скляний мат. Така структура може бути особливо корисна як сепаратор для пластин, приготованих шляхом стрічкового лиття, які не вимагають використання оклеювального паперу. Як відмічається вище, поглинальний скляний мат поглинає сірчанокислотний електроліт так, що запобігає витоку, коли батарея використовується на боку або вгору дном. Але даний мат може бути набагато тоншим, ніж в традиційних додатках, оскільки не зобов'язаний діяти як сепаратор, функція якого виконується нановолокнистим шаром 14. Це дозволяє зменшити фізичний розмір батареї при збереженні хорошої продуктивності. Відповідні поглинаючі скляні мати описані в патентах США № 5091275 і 7144633, які включені сюди за допомогою посилання. У деяких варіантах здійснення поглинаючі скляні мати містять боросилікатні скляні волокна. У деяких варіантах здійснення скляні мати можуть приводитися в жорсткий, стислий стан під час збирання батареї, але значно розширятися після занурення в електроліт між пластинами батареї. Такий мат може бути утворений з скляних мікроволокон і такий, що просочився водною зв'язуючою сумішшю, що містить колоїдні частинки оксиду кремнію і сульфатну сіль. Мат, який просочився, сушать і пресують, так що сіль коагулює частинки оксиду кремнію всередині мата, запобігаючи, тим самим, міграції частинок оксиду кремнію до поверхні мата, коли мат сушать. Зв'язуюче залишається рівномірно розподіленим по мату, коли воно висихає, і підтримує висушений мат в жорсткому стислому стані, так що з ним легко поводитися. У деяких варіантах здійснення мат пресують і сушать до товщини, яка трохи менша, ніж конкретна відстань між електродними пластинами, залишаючи місце також для нановолокнистого шару і полотняного шару. Потім один мат може бути вміщений між кожною парою електродних пластин всередині батареї без використання складного обладнання для стиснення мата між пластинами під час процесу збирання. Альтернативно, під час приготування матам може бути додана така форма, що вони можуть вміщуватися парами на протилежних боках пластини і склеюватися разом, як буде обговорюватися нижче у відношенні фіг. 5. Коли електроліт батареї контактує зі зв'язуючим, сіль розчиняється в електроліті, залишаючи частинки оксиду кремнію. Вони мають високу площу поверхні і належну хімію поверхні для полегшення перенесення кисню між позитивним і негативним електродами. Коли зв'язуюча сіль розчиняється, мат розширяється від поверхонь електродних пластин, заповнюючи простір між пластинами. Одержання багатошарового композитного листа Композитний лист може бути приготований за допомогою будь-якого з множини способів, і відповідне обладнання для одного типового способу схематично показане на фіг. 1b. Даний спосіб буде тепер описаний при використанні паперу для волокнистого шару 12, але подібні способи можуть бути використані, якщо замість неї застосовується поглинальний скляний мат. Вихідний етап включає в себе електропрядіння полімерного шару нановолокон на оклеювальний папір батареї. Потім окремі краплини хімічно стійкого адгезиву (наприклад гарячий розплав адгезиву, хоч інше може бути використане) осаджують на поверхні нановолокон. Це може виконуватися пневматичним розпилювачем, який приводить до осадження дуже маленьких, окремих краплин адгезиву, а не рівномірної плівки. Уникаючи рівномірної плівки адгезиву, підтримується хороша проникність крізь нановолокна і прикріплене полотно. Нарешті, полотно наносять зверху осаджуючого адгезиву. Це подібно ламінуванню, оскільки полотно може наноситися за допомогою вала безпосередньо над рухомою сіткою збирання папір/нановолокно, і 3 UA 97720 C2 остаточний композитний лист потім скручується. Остаточні рулони потім розрізають згідно з бажаними розмірами.Пластини батареї, що використовують багатошаровий композитний лист 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Фіг. 5 зображає пластину батареї, позначену, загалом, під номером 20, що включає в себе багатошаровий композитний лист 10 згідно з даним винаходом у вигляді комбінації оклеювальний папір/сепаратор. Оклеювальний папір/сепараторів 10 спочатку наносять на обидва боки свинцевої пластини (звичайно решітку) 24, які попередньо були покриті водною пастою 22 оксиду свинцю, причому паперовий бік контактує з оксидом свинцю. Це утримує пасту на гратах 24 при виготовленні пластини. На трьох з чотирьох боків пластини обидва з композитних листів оклеювального папір/сепаратор розповсюджуються за край гратів, так що вони можуть змикатися разом, утворюючи єдину оболонку навколо пластини на трьох боках. Це може бути виконане механічною ущільнюючою машиною, термічний ущільнювач або ущільнювач гарячим розплавом можуть бути використані для з'єднання зовнішніх країв двох композитних листів, використовуючи додатковий адгезив 26. Даний адгезив може бути будьяким адгезивом кислотостійкого типу, і звичайно буде гарячим розплавом адгезиву, таким, як використовується для з'єднання шарів. Результатом є закрита, фізично відділяюча оболонка, оточуюча пластину з трьох боків, де четвертий бік залишається відкритим, щоб дозволити приєднання електричного з'єднувача до пластини. Пластини потім отверджуються (сушать) перед процесом формування. Після формування пластини (електроди) перемежають з протилежно зарядженими пластинами і вміщують в корпус батареї. Традиційний роздільник не потрібний, оскільки пластина тепер покрита фізично відділяючим композитом з полотняного і нановолокнистого шарів. Потім додають розбавлену сірчану кислоту, і батарею герметизують. Оклеювальний папір буде розпадатися згодом в електроліті, але хімічно стійкий, нановолокнистий шар і полотно будуть залишатися непошкодженими і продовжувати запобігати короткому замиканню, все ще здійснюючи дуже високий іонний обмін. Аналогічно, у випадках, коли волокнистий шар 12 являє собою поглинальний скляний мат, а не папір, нановолокнистий шар 14 служить як сепаратор, запобігаючи торканню частинок. У цьому випадку структура, приготована шляхом склеювання композитних листів разом, може тільки ковзати над вже покритою пастою і висушеною пластиною, а не використати композит як оклеювальний папір для нанесення оксиду свинцю. Багатошарові композитні листи згідно з даним винаходом забезпечують декілька переваг, коли використовуються як комбінація оклеювального папір/сепаратор батареї. Шляхом об'єднання полімерної нановолокнистой сітки і полотна з оклеювального папером, проникний щит, здатний фізично розділяти пластини, запобігаючи дотиканню частинок, може бути доданий під час виготовлення пластини батареї. Це усуває окремий етап установки сепаратора між пластинами при виробництві батареї. Одержана електропрядінням сітка має переваги низької щільності, великої площі поверхні на одиницю маси, високого об'єму пор і маленького розміру пор. Полотно забезпечує міцність даному композитному листу, але є відносно тонким. Шляхом усунення необхідності в одиночно стоячому сепараторові, об'єм батареї збільшується, забезпечуючи, тим самим, більше електроліту і відповідно більш високу ємність і швидкість розрядження. Цей більший об'єм може також дозволяти знижувати загальний розмір батареї без втрати ємності або потенціалу, що зберігається. Хоча даний винахід показаний і описаний тут з посиланням на конкретні варіанти здійснення, винахідник не має на увазі обмеження показаними подробицями. Швидше, різні модифікації можуть бути зроблені всередині об'єму і діапазону еквівалентів формули винаходу без відхилення від даного винаходу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 1. Багатошаровий композитний лист для використання в свинцево-кислотній батареї, який містить: a) базовий шар, що містить папір або скловолокнисту мату; b) шар полімерних нановолокон, приєднаний окремими клейкими частинками до першої поверхні базового шару; і c) полотняний шар, приєднаний окремими клейкими частинками до поверхні шару нановолокон, протилежної базовому шару. 2. Композитний лист за п. 1, в якому діаметр нановолокон знаходиться в діапазоні від 40 до 1000 нм. 3. Композитний лист за п. 1 або 2, в якому діаметр нановолокон знаходиться в діапазоні від 100 до 400 нм. 4. Композитний лист за будь-яким з попередніх пунктів, в якому шар полімерних нановолокон має середню товщину в діапазоні від 200 до 2000 нм. 4 UA 97720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5. Композитний лист за будь-яким з попередніх пунктів, в якому шар полімерних нановолокон має середню товщину в діапазоні від 800 до 2000 нм. 6. Композитний лист за будь-яким з попередніх пунктів, в якому шар полімерних нановолокон має середній діаметр пор в діапазоні від 100 до 500 нм. 7. Композитний лист за будь-яким з попередніх пунктів, в якому базовий шар містить папір. 8. Композитний лист за будь-яким з попередніх пунктів, в якому кожна з клейких частинок в b) і с) є часткою адгезиву з гарячого розплаву. 9. Композитний лист за будь-яким з пп. 1-6 і 8, в якому базовий шар містить скловолокнисту мату. 10. Композитний лист за п. 9, в якому скловолокниста мата містить боросилікатні скляні волокна. 11. Композитний лист за п. 9 або 10, в якому скловолокниста мата містить сульфатну сіль і диспергований в ній колоїдний оксид кремнію. 12. Композитний лист за будь-яким з пп. 9-11, в якому скловолокниста мата являє собою спресовану мату, здатну розширюватися по товщині після занурення в електроліт батареї. 13. Вузол пластини для свинцево-кислотної батареї, який містить свинцеву пластину, що має першу і другу протилежні поверхні, покриті відповідно першим і другим шарами, що містять оксид свинцю, де згадані перший і другий шари контактують з першим і другим багатошаровими композитними листами відповідно, де кожний із згаданих композитних листів містить: a) паперовий базовий шар; b) шар полімерних нановолокон, приєднаний окремими клейкими частинками до першої поверхні паперового базового шару; і c) полотняний шар, приєднаний окремими клейкими частинками до поверхні шару нановолокон, протилежного паперовому базовому шару, при цьому кожний з першого і другого шарів даної пластини розташований поруч з паперовим базовим шаром першого і другого багатошарових композитних листів відповідно на його другій поверхні, протилежній першій поверхні, і приєднаний до нього, і де перший і другий багатошарові композитні листи склеєні разом так, що оточують дану свинцеву пластину з трьох боків. 14. Вузол пластини для свинцево-кислотної батареї, що містить свинцеву пластину, що має першу і другу протилежні поверхні, покриті відповідно першим і другим шарами, що містять оксид свинцю, де щонайменше один із згаданих першого і другого шарів контактує з багатошаровим композитним листом, який містить: a) базовий шар з скловолокнистої мати; b) шар полімерних нановолокон, приєднаний окремими клейкими частинками до першої поверхні базового шару з скловолокнистої мати; і c) полотняний шар, приєднаний окремими клейкими частинками до поверхні шару нановолокон, протилежної базовому шару з скловолокнистої мати, при цьому згаданий щонайменше один з першого і другого шарів даної пластини розташований поруч з базовим шаром з скловолокнистої мати даного багатошарового композитного листа на його другій поверхні, протилежній першій поверхні. 15. Вузол пластини за п. 14, в якому згадані перший і другий шари контактують з першим і другим багатошаровими композитними листами відповідно; кожний з першого і другого шарів даної пластини розташований поруч з базовим шаром з скловолокнистої мати першого і другого багатошарових композитних листів відповідно на його другій поверхні, протилежній першій поверхні, і приєднаний до нього; і перший і другий багатошарові композитні листи склеєні разом так, що оточують дану свинцеву пластину з трьох боків. 5 UA 97720 C2 6 UA 97720 C2 7 UA 97720 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8