形成用于铅碳电池的阳极的碳基活性层的方法以及由其形成的活性层技术

一种制备用于铅碳电池中的活性炭阳极的活性层的方法包括：形成包含聚(偏二氟乙烯)和溶剂的溶剂混合物；将溶剂混合物与非溶剂进行组合以在原纤化聚(偏二氟乙烯)基质中形成包含活性炭的沉淀物；将沉淀物与溶剂和非溶剂分离；以及由沉淀物形成活性层。一种活性层通过该方法形成。一种铅碳电池包括：活性炭阳极，包括活性层和集流体，其中活性层与集流体电接触；与阴极侧集流体电接触的铅氧化物阴极；位于活性炭阳极与阴极之间的酸；以及壳体，其封装活性炭阳极、阴极和酸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】形成用于铅碳电池的阳极的碳基活性层的方法以及由其形成的活性层相关申请的交叉引用本申请要求于2018年5月7日提交的美国临时专利申请序列第62/667,799号的权益。相关申请通过引用整体并入本文。
技术介绍
常规的商用铅酸电池依靠由铅金属构成的负电极(阳极)和由二氧化铅构成的正电极(阴极)来生成电流。铅酸电池的局限性包括难以实现大量的充电放电循环以及倍率性能的降低。虽然阳极和阴极两者对于这些局限性均有贡献，但是由于在重镀过程中会损失一定量铅金属，因此铅金属阳极容易受到不完全充电的影响，从而导致电池容量的损失。另外，阳极的结构发生变化，这通常导致较低的完整性和较低的连接性，从而导致另外的倍率性能的损失。这些问题在由具有铅箔集流体的双极电极构造的电池中进一步恶化，所述双极电极在箔的一侧具有阳极电极涂层，而在相反侧具有阴极电极涂层。双极电极被设计用于如汽车应用中经常需要的高倍率操作。由于两个电极涂层可以使用同一集流体，因此铅金属阳极的不完全充电会影响箔的相反侧上的阴极电极的机械性能。此外，即使在没有任何阴极电极退化的情况下，连接性的损失以及由此导致的倍率性能的损失也限制了可用于阴极的电流。为了克服这些问题，已经开发了在存在铅和不存在铅的两种情况下包括活性炭的阳极。这些活性炭阳极可以利用双法拉第电容现象，从而使活性炭用于产生电荷分离，该电荷分离可以在高倍率充电的时刻吸收高电流流入。这种高电流流入的吸收已经显示出使得通常与在阳极上反复施加的高电流流入相关联的耗损减少。然而，不幸的是，现有的活性炭阳极并未示出能够实现期望的高存储能力。因此，在本领域中仍然需要能够实现改进的存储能力的包括活性炭电极的阳极。
技术实现思路
本文公开了一种形成铅碳电池用阳极的碳基活性层的方法以及由其形成的活性层。在一方面，一种制备用于铅碳电池中的活性炭阳极的活性层的方法包括：形成包含聚(偏二氟乙烯)、任选的导电填料和溶剂的溶剂混合物；将溶剂混合物与非溶剂进行组合以在原纤化聚(偏二氟乙烯)基质中形成包含活性炭的沉淀物，其中溶剂混合物和非溶剂中的至少之一包含活性炭；将沉淀物与溶剂和非溶剂分离；以及由沉淀物形成活性层。活性层包含：大于或等于85重量百分比的活性炭；1重量百分比至15重量百分比的原纤化聚(偏二氟乙烯)；以及0重量百分比至10重量百分比的导电填料，其中重量基于活性层的总重量。在另一方面，通过该方法形成活性层。在又一方面，铅碳电池包括：活性炭阳极，其包括活性层和集流体，其中活性层与集流体电接触；与阴极侧集流体电接触的铅氧化物阴极；位于活性炭阳极与阴极之间的酸；以及壳体，其封装活性炭阳极、阴极和酸。通过以下附图、详细描述和所附权利要求书例示了上述特征和其他特征。附图说明以下附图是示例性方面，提供其是为了说明本公开内容。附图中的至少一个为说明性实例，其不旨在将根据本公开内容制备的装置限于本文阐述的材料、条件或过程参数。图1是铅碳电池的图示；图2是活性炭阳极的图示；图3是活性层的扫描电子显微镜(SEM)图像；图4是活性层的扫描电子显微镜(SEM)图像；以及图5是实施例2的放电容量对孔隙率的图。具体实施方式开发了制备用于铅碳电池中的阳极(称为活性炭阳极)(其中阳极包括活性炭阳极)的包括活性炭的活性层的方法。该方法包括：形成包含聚(偏二氟乙烯)、活性炭、任选的导电填料和溶剂的溶剂混合物；将溶剂混合物与非溶剂进行组合以在原纤化聚(偏二氟乙烯)基质中形成包含活性炭的沉淀物；将沉淀物相对溶剂和非溶剂分离；以及由沉淀物形成活性层。活性层可以包含：大于或等于85重量百分比的活性炭；1重量百分比至15重量百分比的原纤化聚(偏二氟乙烯)；以及0重量百分比至10重量百分比的导电填料，其中重量基于活性层的总重量。令人惊讶地发现，仅通过使用本专利技术的方法，就可以制备改进的活性层，从而引起铅碳电池性能的显著改进。不受理论约束，据信与通过不同方法制备的活性层相比，本申请活性层的不同形态——包括较高比例的活性炭的露出的表面积或多尺度孔隙率——产生了这些改进。还据信聚(偏二氟乙烯)原纤维的存在用作基质稳定剂，在活性颗粒上施加各种应力以保持活性层的结构完整性，从而使其成为自支撑的层。例如，原纤维可以穿过活性颗粒以保持其互联性。包括活性炭阳极的铅碳电池可以得到改进的比容量(每单位质量存储的电荷量)或改进的倍率性能(功率输出、动态电荷接受能力)中的至少之一。高比容量的活性炭阳极可以提供充足的还原剂来源，其可以帮助延迟集流体的腐蚀，最终可以延长电池寿命。它还可以有助于在活性炭阳极中的活性层与集流体之间保持低界面电阻，以保持高功率电池性能。此外，通过用本专利技术的活性层代替铅活性层引起的铅含量的减少可以产生节省材料成本或电池回收优势。最终，这些改进可以为许多铅酸电池应用提供性能优势，尤其为汽车平台中的应用例如用于内燃机的点火开关、用于混合动力电动车辆驱动系统的功率调配或工业电动车辆提供性能优势。这种改进的活性材料提供了制造铅碳电池的适时的方法，该铅碳电池可以超过常规铅酸电池的性能以及还超过现有铅碳电池的性能。例如，包括活性炭阳极的铅碳电池可以与基于锂离子的电池化学物质和基于镍金属氢化物的电池化学物质竞争，这些化学物质目前被定位用于起停汽车和用于48伏特轻度混合动力电动车辆系统以及类似的汽车平台。本方法包括形成包含聚(偏二氟乙烯)、任选的活性炭、任选的导电填料和溶剂的溶剂混合物。溶剂混合物可以通过使聚(偏二氟乙烯)、活性炭和任选的导电填料与溶剂混合以溶解聚(偏二氟乙烯)并且形成溶剂混合物来形成。溶剂混合物可以通过将聚(偏二氟乙烯)溶解在溶剂中并且然后添加活性炭和任选的导电填料以形成溶剂混合物来形成。溶剂混合物可以通过将聚(偏二氟乙烯)溶解在溶剂中来形成，并且活性炭可以与非溶剂混合。如本领域那些普通技术人员容易确定的，溶剂混合物可以包括用于溶解聚(偏二氟乙烯)的足够量的溶剂。形成溶剂混合物可以包括混合达用于溶解聚(偏二氟乙烯)的足够量的时间，所述足够量的时间可以根据混合的强度以及溶剂和聚(偏二氟乙烯)的相对量在数分钟至数小时范围内。可以使溶剂混合物混合直至形成浆料，其中活性炭和任选的导电填料悬浮在溶剂混合物中。混合步骤中的一个或更多个可以包括超声混合。基于混合物减去溶剂的总重量，溶剂混合物可以包含85重量百分比(wt％)至98wt％、或者90wt％至96wt％的活性炭。基于混合物减去溶剂的总重量，溶剂混合物可以包含2wt％至15wt％、或者4wt％至10wt％的聚(偏二氟乙烯)。基于混合物减去溶剂的总重量，溶剂混合物可以包含0wt％至10wt％、或者1wt％至10wt％的导电填料。溶剂可以具有15兆帕斯卡1/2(MPa)1/2≤δd≤20MPa1/2、或者16MPa1/2≤δd≤18.5MPa1/2的δd汉森(Hansen)溶解度参数。溶剂可以具有5MPa1/2≤δp≤18MPa1/2、或者8.5MPa1/2≤δp≤16.5MPa1/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备用于铅碳电池中的活性炭阳极的活性层的方法，包括：/n形成包含聚(偏二氟乙烯)和溶剂的溶剂混合物；/n将所述溶剂混合物与非溶剂进行组合以在原纤化聚(偏二氟乙烯)基质中形成包含活性炭的沉淀物，其中所述溶剂混合物和所述非溶剂中的至少之一包含所述活性炭或任选的导电填料；/n将所述沉淀物相对所述溶剂和所述非溶剂分离；以及/n由所述沉淀物形成所述活性层，/n其中所述活性层包含：/n大于或等于85重量百分比的所述活性炭；/n1重量百分比至15重量百分比的所述原纤化聚(偏二氟乙烯)；以及/n0重量百分比至10重量百分比的导电填料，/n其中上述重量基于所述活性层的总重量。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180507 US 62/667,7991.一种制备用于铅碳电池中的活性炭阳极的活性层的方法，包括：
形成包含聚(偏二氟乙烯)和溶剂的溶剂混合物；
将所述溶剂混合物与非溶剂进行组合以在原纤化聚(偏二氟乙烯)基质中形成包含活性炭的沉淀物，其中所述溶剂混合物和所述非溶剂中的至少之一包含所述活性炭或任选的导电填料；
将所述沉淀物相对所述溶剂和所述非溶剂分离；以及
由所述沉淀物形成所述活性层，
其中所述活性层包含：
大于或等于85重量百分比的所述活性炭；
1重量百分比至15重量百分比的所述原纤化聚(偏二氟乙烯)；以及
0重量百分比至10重量百分比的导电填料，
其中上述重量基于所述活性层的总重量。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂具有至少一种如下所述的汉森溶解度参数：15MPa1/2≤δd≤20MPa1/2或16MPa1/2≤δd≤18.5MPa1/2；5MPa1/2≤δp≤18MPa1/2或8.5MPa1/2≤δp≤16.5MPa1/2；或者4MPa1/2≤δh≤12MPa1/2或5MPa1/2≤δh≤11.5MPa1/2。


3.根据前述权利要求中任一项或更多项所述的方法，其中所述溶剂包含丙酮、环己酮、二甲基乙酰胺、甲基乙基酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、四甲基脲、或磷酸三甲酯中的至少之一，优选地，其中所述溶剂包含二甲基乙酰胺、甲基乙基酮、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、或二甲基亚砜中的至少之一。


4.根据前述权利要求中任一项或更多项所述的方法，其中所述非溶剂具有至少一种如下所述的汉森溶解度参数：12MPa1/2≤δd≤14.9MPa1/2；0MPa1/2≤δp≤8MPa1/2或1MPa1/2≤δp≤4.9MPa1/2；或者13MPa1/2≤δh≤50MPa1/2或15MPa1/2≤δh≤45MPa1/2。


5.根据前述权利要求中任一项或更多项所述的方法，其中所述非溶剂包含酸溶液、醇、脂族烃、芳族烃、碱溶液、丁内酯、N-乙酸丁酯、卡必醇乙酸酯、二异丁基酮、邻苯二甲酸二甲酯、乙酰乙酸乙酯、乙二醇醚、乙二醇醚酯、三乙酸甘油酯、卤代溶剂、异佛尔酮、甲基异丁基酮、碳酸亚丙酯、磷酸三乙酯、或水中的至少之一。


6.根据前述权利要求中任一项或更多项所述的方法，其中将所述溶剂混合物与所述非溶剂进行组合包括将所述溶剂混合物倾倒入或注入至所述非溶剂中。


7.根据前述权利要求中任一项或更多项所述的方法，其中将所述溶剂混...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃兰·图里，特雷弗·比尔德，布雷特·基尔赫尼，王伟，
申请(专利权)人：提卜斯研发有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US