DE60312217T2 - Verbundwerkstoff und stromkollektor für eine batterie - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Verbundwerkstoff und insbesondere einen Stromkollektor aus einem Verbundwerkstoff für eine Energiespeicher-Vorrichtung.
  • Hintergrund
  • Es ist bekannt, dass Blei-Säure-Batterien mindestens einen positiven Stromkollektor, mindestens einen negativen Stromkollektor und eine elektrolytische Lösung aufweisend, zum Beispiel, Schwefelsäure (H2SO4) und destilliertes Wasser aufweisen. Normalerweise sind sowohl der positive als auch der negative Stromkollektor in einer Blei-Säure-Batterie aus Blei hergestellt. Die Aufgabe dieser Blei-Stromkollektoren ist, während der Entlade- und Lade-Vorgänge den elektrischen Strom zu und von den Batterie-Anschlüssen zu übertragen. Speichern und Freigabe von elektrischer Energie in Blei-Säure-Batterien wird durch chemische Reaktionen ermöglicht, die in einer auf den Stromkollektoren angeordneten Paste auftreten. Die positiven und negativen Stromkollektoren werden, sobald sie mit dieser Paste bedeckt sind, entsprechend als positive und negative Platten bezeichnet. Eine bemerkenswerte Beschränkung der Haltbarkeit von Blei-Säure-Batterien ist Korrosion des Blei-Stromkollektors der positiven Platte.
  • Die Korrosionsrate des Blei-Stromkollektors ist ein bestimmender Faktor beim Ermitteln der Lebensdauer einer Blei-Säure-Batterie. Sobald der Schwefelsäure-Elektrolyt der Batterie hinzugefügt wird und die Batterie geladen wird, wird der Stromkollektor einer jeden positiven Platte auf Grund seiner ungeschützten Lage in der Schwefelsäure und des anodischen Potentials der positiven Platte kontinuierlich Korrosion unterzogen. Einer der am meisten schädigenden Effekte dieser Korrosion des Stromkollektors der positiven Platte ist Volumen-Expansion. Wenn der Blei-Stromkollektor korrodiert, wird insbesondere aus dem Blei-Quellmaterial des Stromkollektors Bleidioxid gebildet. Dieses Bleidioxid-Korrosionsprodukt hat ein größeres Volumen als das zum Bilden des Bleidioxids verbrauchte Blei-Quellmaterial. Korrosion von Blei-Quellmaterial und die zu schützende Zunahme an Volumen des Bleidioxid-Korrosionsprodukts ist als Volumen-Expansion bekannt.
  • Volumen-Expansion induziert mechanische Verspannungen auf dem Stromkollektor, die den Stromkollektor deformieren und dehnen. Bei einer Gesamt-Volumen-Zunahme des Stromkollektors von ungefähr vier Prozent (4%) bis sieben Prozent (7%) kann der Stromkollektor zerbrechen. Im Ergebnis fällt die Batterie-Kapazität und eventuell erreicht die Batterie das Ende ihrer Lebensdauer. Bei fortgeschrittenen Korrosions-Stufen können zusätzlich innerhalb des Stromkollektors eine interner Kurzschluss und ein Bruch des Zellengehäuses auftreten. Diese beiden Korrosionseffekte können zu Fehlern in einer oder mehreren Zellen innerhalb der Batterie führen.
  • Ein Verfahren zum Ausdehnen der Lebensdauer einer Blei-Säure-Batterie ist, die Korrosions-Resistenz des Stromkollektors der positiven Platte zu erhöhen. Verschiedene Verfahren wurden vorgeschlagen, um den Korrosionsprozess in Blei-Säure-Batterien zu verhindern. Da Kohlenstoff bei den Temperaturen, bei denen Blei-Säure-Batterien gewöhnlich betrieben werden, nicht oxidiert, betrafen einige dieser Verfahren das Verwenden von Kohlenstoff in verschiedenen Formen zum Verlangsamen oder Verhindern des schädlichen Korrosionsprozesses in Blei-Säure-Batterien. Beispielsweise offenbart US-Patent Nr. 5,512,390 (nachfolgend „Patent '390" genannt) eine Blei-Säure-Batterie, die aus Graphit-Platten an Stelle von Blei hergestellte Stromkollektoren aufweist. Die Graphit-Platten haben ausreichende Leitfähigkeit, um als Stromkollektoren zu funktionieren, und sie sind beständiger gegen Korrosion als Blei. Ein Ersetzen der Blei-Stromkollektoren mit Graphit-Platten kann daher die Lebensdauer einer Blei-Säure-Batterie verlängern.
  • Obwohl die Batterie des Patents '390 möglicherweise eine verlängerte Lebensdauer als ein Ergebnis der reduzierten Korrosion an der positiven Platte bietet, sind die Graphit-Platten des Patents '390 problematisch. Zum Beispiel sind die Graphit-Platten des Patents '390 dichte, flache Material-Blätter, die jeweils eine relativ geringe Menge an Oberflächenbereich aufweisen. Im Gegensatz zu Blei-Elektrodenplatten einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie, die üblicherweise in einer gitterförmigen Struktur als Muster angeordnet sind, um den verfügbaren Oberflächenbereich der Platten zu vergrößern, sind die Graphit-Platten des Patents '390 ebene Blätter mit keinerlei Musterung. In Blei-Säure-Batterien kann eine Vergrößerung des Oberflächenbereichs des Stromkollektors die spezifische Energie der Batterie erhöhen und somit in eine verbesserte Batterie-Performance übersetzt werden. Mehr Oberflächenbereich auf den Stromkollektoren kann auch zu einer Reduzierung der Zeit führen, die zum Laden und Entladen der Batterie benötigt wird. Der relativ kleine Oberflächenbereich der Graphit-Platten des Patents '390 resultiert in schlecht funktionierenden Batterien, die geringe Lade-Geschwindigkeiten haben.
  • Außerdem fehlt den Graphit-Platten des Patents '390 die Festigkeit der Blei-Stromkollektoren. Die dichten Graphit-Platten des Patents '390 sind spröde und können zerbrechen, wenn sie einem physikalischen Schlag oder einer Vibration ausgesetzt werden. Solch ein physikalischer Schlag und solch eine Vibration können im Allgemeinen zum Beispiel in Fahrzeug-Anwendungen auftreten. Jedes Zerbrechen der Graphit-Platten würde zu den gleichen Problemen führen, wie sie durch Volumen-Expansion von gewöhnlichen Blei-Stromkollektoren verursacht werden. Obwohl sie einen verbesserten Widerstand gegenüber Korrosion im Vergleich zu konventionellen Blei-Stromkollektoren bieten, könnte die spröde Natur der Graphit-Platten des Patents '390 somit sogar in Batterie-Lebensdauern resultieren, die kürzer sind als diejenigen, die durch die Verwendung von gewöhnlichen Blei-Stromkollektoren möglich sind.
  • Der Artikel von B.K. Davis und S.G. Weber in Analytical Chemistry, Band 62, Nr. 10, Seiten 1000-1003 (1990) beschreibt die elektrochemische Charakterisierung einer mikrozellulären Kohlenstoff-Schaum/Epoxydharz Verbund-Elektrode, wobei das resultierende Mikroelektroden-Gitter ein großes Umfang-zu-Fläche-Verhältnis hat.
  • WO 95/06002 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von dünnen, flachen Kohlenstoff-Elektroden, indem hochporöse Kohlenstoff-Papiere, -Membranen, -Filze, -Metall-Fasern/Pulver oder -Strukturen mit einem geeigneten Kohlenstoff-Schaum-Vorläufer-Material infiltriert werden.
  • Eine Kohlenstoff-Schaum-Verbund-Elektrode ist in den US-Patenten Nr. 5,626,977 und 6,332,990 offenbart, wobei als Binder für granularisierte Materialien, einschließlich andere Formen von Kohlenstoff und Metall-Zusätzen, verwendete Kohlenstoff-Aerogele auf Kohlenstoff- oder Metall-Faser-Substrate gegossen werden, um Kohlenstoff-Dünnschicht-Verbundschichten zu bilden.
  • US-Patent Nr. 4,832,870 offenbart ein elektrisch leitfähiges Verbundmaterial, welches einen leitfähigen mikrozellulären Kohlenstoff-Schaum mit offenen Zellen und geringer Dichte aufweist, der mit einem nicht leitfähigen Polymer oder Harz gefüllt ist.
  • Aus WO 00/16418 A1 ist eine Lithium-Ionen-Batterie mit mindestens zwei Kohlenstoff-Schaum-Elektroden bekannt. Jede der Elektroden ist in eine aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellte Platte eingebaut.
  • Diese Erfindung ist darauf ausgerichtet, ein oder mehrere Probleme oder Nachteile, die im Stand der Technik existieren, zu überwinden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Erfindung offenbart ein Verbundmaterial, einen das Verbundmaterial aufweisenden Stromkollektor, eine Batterie mit dem das Verbundmaterial aufweisenden Stromkollektor und ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Ein Aspekt dieser Erfindung weist ein Verbundmaterial auf. Das Verbundmaterial weist eine erste Kohlenstoff-Schaum-Schicht, die ein Netz aus Poren aufweist, und eine zweite Kohlenstoff-Schaum-Schicht, die ein Netz aus Poren aufweist, auf. Eine Zwischen-Bindeschicht ist zwischen der ersten und der zweiten Kohlenstoff-Schaum-Schicht angeordnet.
  • Ein zweiter Aspekt dieser Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials auf. Dieses Verfahren weist Bereitstellen einer ersten Schicht aus Kohlenstoff-Schaum, die ein Netz aus Poren aufweist, und Aufbringen einer Schicht aus Bindematerial auf der ersten Schicht aus Kohlenstoff-Schaum auf. Eine zweite Schicht aus Kohlenstoff-Schaum, die ein Netz aus Poren aufweist, wird dann auf der Schicht aus Bindematerial Platziert, um eine geschichtete Struktur zu bilden.
  • Ein dritter Aspekt dieser Erfindung weist einen Stromkollektor für eine Batterie auf. Der Stromkollektor weist eine erste Kohlenstoff-Schaum-Schicht mit einem Netz aus Poren und ein auf der ersten Kohlenstoff-Schaum-Schicht angeordnetes erstes elektrisches Anschlusselement auf. Eine Zwischen-Bindeschicht ist auf dem ersten elektrischen Anschlusselement und der ersten Kohlenstoff-Schaum-Schicht angeordnet, und eine zweite Kohlenstoff-Schaum-Schicht, die ein Netz aus Poren aufweist, ist auf der Zwischen-Bindeschicht angeordnet.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Fassung enthalten sind und einen Teil dieser Fassung bilden, stellen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar und dienen zusammen mit der geschriebenen Beschreibung zum Erklären der Grundlagen der Erfindung. In den Zeichnungen:
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Verbundmaterials in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 2A ist eine Draufsicht auf einen Stromkollektor in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 2B ist eine Querschnittsansicht des Stromkollektors aus 2A aufgenommen entlang der Linie 2A;
  • 3 stellt ein elektrisches Anschlusselement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung dar;
  • 4A ist eine Draufsicht eines anderen Stromkollektors in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung;
  • 4B ist eine Querschnittsansicht des Stromkollektors aus 4A aufgenommen entlang der Linie 4A;
  • 5 ist eine diagrammartige Wegschnitts-Darstellung einer Batterie in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der folgenden Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil davon bilden und in denen zum Zwecke der Illustration bestimmte beispielhafte Ausführungsformen dargestellt sind, in denen die Erfindung angewendet werden kann. Diese Ausführungsformen sind in ausreichendem Detail beschrieben, um Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung zu verwenden, und es ist offensichtlich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich dieser Erfindung abzuweichen. Die nachfolgende Beschreibung darf somit nicht in einem beschränkenden Sinne verwendet werden. Wo immer möglich, wurden in den Zeichnungen durchwegs die gleichen Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
  • Wie in 1 dargestellt, weist Verbundmaterial 10 zwei Schichten aus porösem Kohlenstoff-Schaum 11, 13 auf. Eine Zwischenschicht aus Bindematerial 12 ist zwischen den Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 angeordnet. Das Bindematerial 12 befestigt die Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 aneinander und stellt strukturellen Halt für das Verbundmaterial 10 bereit.
  • Der zum Bilden der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 des Verbundmaterials 10 verwendete Kohlenstoff-Schaum ist elektrisch leitfähig. In bestimmten Formen kann der Kohlenstoff-Schaum Schichtwiderstands-Werte von kleiner als ungefähr 1 Ohm/cm bieten. In anderen Formen kann der Kohlenstoff-Schaum Schichtwiderstands-Werte von kleiner als ungefähr 0,75 Ohm/cm haben. Die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 erlaubt, dass das Verbundmaterial 10 in einer Vielzahl von Anwendungen, wie zum Beispiel Stromkollektoren in Batterien, verwendet wird.
  • Der zum Bilden der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 des Verbundmaterials 10 verwendete Kohlenstoff-Schaum ist auch resistent gegen Korrosion. Im Allgemeinen oxydiert Kohlenstoff erst bei sehr hohen Temperaturen und widersteht Korrosion auch in korrosiven Umgebungen. Der in dem Verbundmaterial 10 verwendete Kohlenstoff-Schaum behält diese Korrosions-Beständigkeit und folglich kann das Verbundmaterial 10 zum Beispiel in der korrosiven Umgebung einer Blei-Säure-Batterie verwendet werden.
  • Zusätzlich sind die Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 auf Grund der Gegenwart eines Netzes an Poren 14 leicht. Der Kohlenstoff-Schaum dieser Erfindung kann einen Gesamt-Porositäts-Wert von mindestens 60% aufweisen. In anderen Worten, mindestens 60% des Volumens der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 befindet sich innerhalb der Poren 14. Darüber hinaus kann der Kohlenstoff-Schaum einen offenen Porositäts-Wert von mindestens 90% haben. In anderen Worten, mindestens 90% der Poren 14 sind zu benachbarten Poren offen, so dass das Netz aus Poren 14 ein im Wesentlichen offenes Netz bildet. Dieses offene Netz aus Poren 14 kann in einer Dichte von kleiner als ungefähr 0,6 g/cm3 für jede der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 resultieren. Außerdem kann die durchschnittliche Porengröße des Kohlenstoff-Schaums zwischen ungefähr 0,25 mm und ungefähr 2,0 mm betragen.
  • Zusätzlich zu dem Kohlenstoff-Schaum kann auch Graphit-Schaum zum Bilden des Verbundmaterials 10 verwendet werden. Ein solcher Graphit-Schaum, der unter dem Handelsnamen PocoFoamTM bekannt ist, ist von Poco Graphite, Inc. erhältlich. Die Dichte und die Porenstruktur des Graphit-Schaums können ähnlich zu dem Kohlenstoff-Schaum sein. Ein primärer Unterschied zwischen Graphit-Schaum und Kohlenstoff-Schaum ist die Orientierung der Kohlenstoff-Atome, die die strukturellen Elemente des Schaums bilden. Zum Beispiel in Kohlenstoff-Schaum kann der Kohlenstoff primär amorph sein. In Graphit-Schaum jedoch ist viel Kohlenstoff in einer graphitierten Schichtstruktur geordnet. Auf Grund der geordneten Struktur bietet Graphit-Schaum eine höhere Leitfähigkeit als Kohlenstoff-Schaum. PocoFoamTM Graphit-Schaum zeigt spezifische elektrische Widerstands-Werte von zwischen ungefähr 100 Mikroohm·cm und ungefähr 400 Mikroohm·cm.
  • In dem Verbundmaterial 10 ist zwischen den Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 Bindematerial 12 angeordnet. Das Bindematerial 12 befestigt die Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 aneinander, indem mindestens einige der Poren 14 der Kohlenstoff-Schaum-Schicht 11 und mindestens einige der Poren 14 der Kohlenstoff-Schaum-Schicht 13 durchdrungen werden. In einer beispielhaften Ausführungsform durchdringt das Bindematerial 12 die Poren der Kohlenstoff-Schaum-Schicht 11 in einer Tiefe, die gleich oder größer als eine durchschnittliche Porengröße der Schicht 11 ist. In ähnlicher Weise kann in der beispielhaften Ausführungsform das Bindematerial 12 die Poren der Kohlenstoff-Schaum-Schicht 13 in einer Tiefe durchdringen, die gleich oder größer als eine durchschnittliche Porengröße der Schicht 13 ist. Die Tiefe der Durchdringung des Bindematerials 12 in den Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 ist nicht auf Tiefen von mindestens der durchschnittlichen Porengröße der Schichten 11 und 13 beschränkt. Vielmehr kann eine geeignete Verbindung mit einer Penetrationstiefe ausreichend zum Einschließen mindestens einer Kohlenstoff-Struktur (z.B. eine Pore begrenzende Elemente) innerhalb der Schaum-Schichten 11 und 13 erzeugt werden. Die Durchdringung des Bindematerials 12 in die Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 wird in 1 mittels der Durchdringungs-Zonen 15 bzw. 16 repräsentiert.
  • Eine Vielzahl von Materialien kann als Bindematerial 12 verwendet werden. Das Bindematerial 12 kann ein elektrisch isolierendes Material aufweisend ein Polymer aufweisen. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann das Bindematerial 12 Polypropylen aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann das Bindematerial 12 jegliches eines großen Bereichs von Epoxyden aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform kann ein elektrisch leitfähiges Material als das Bindematerial 12 verwendet werden. Solche elektrisch leitfähige Materialien können zum Beispiel zahlreiche Metalle und elektrisch leitfähige Polymere aufweisen.
  • Um das Verbundmaterial dieser Erfindung zu erzeugen, wird eine Schicht Bindematerial auf einer Schicht Kohlenstoff-Schaum-Material aufgebracht. Als nächstes wird eine zweite Schicht Kohlenstoff-Schaum-Material auf der Schicht Bindematerial platziert, um eine geschichtete Struktur zu bilden. Wenn das Bindematerial als ein Festkörper aufgebracht wird, so wie es in dem Fall der meisten Polymere und Metalle der Fall ist, dann kann Wärme auf die geschichtete Struktur angewendet werden, um das Bindematerial zu erweichen und/oder schmelzen. Erweichen und/oder Schmelzen des Bindematerials unterstützt die Durchdringung des Bindematerials in die Poren des Kohlenstoff-Schaums. Zusätzlich zu Wärme kann auch Druck auf die geschichtete Struktur ausgeübt werden. Das Ausüben von externem Druck kann beim Drücken des Bindematerials zum Durchdringen der Poren des Kohlenstoff-Schaums helfen. In einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung werden Wärme und Druck gleichzeitig angewendet. In bestimmten Situationen kann jedoch Wärme ohne Druck angewendet werden. In noch anderen Situationen kann die Anwendung von Wärme getrennt von der Anwendung von Druck auftreten.
  • In den Fällen, bei denen das Bindematerial als eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel als ein Epoxyd, aufgebracht wird, kann das Bindematerial die Poren einer jeden der zwei Schichten Kohlenstoff-Schaum ohne den Bedarf an Anwendung von Wärme oder Druck durchdringen. Auch in dem Fall, dass die Bindematerialien als eine Flüssigkeit aufgebracht werden, kann die Anwendung von Wärme und Druck trotzdem die Durchdringung des Bindematerials in die Poren des Kohlenstoff-Schaums erleichtern, indem die Viskosität des Bindematerials reduziert wird.
  • 2A und 2B stellen einen Stromkollektor 20 dar, der das Verbundmaterial dieser Erfindung aufweist. Wie in 2A und 2B dargestellt, weist der Stromkollektor 20 mittels eines leitfähigen Bindematerials 22 miteinander verbundene Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 auf. Das Bindematerial 22 durchdringt mindestens einige der Poren der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13. Außerdem kann das Bindematerial 22 die Poren der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 in einer Tiefe, die gleich oder größer als eine durchschnittliche Porengröße der Schichten 11 bzw. 13 ist, durchdringen.
  • Ein elektrisches Anschlusselement 21 ist innerhalb des Bindematerials 22 angeordnet und stellt eine externe elektrische Verbindung für den Stromkollektor 20 bereit. Das elektrische Anschlusselement 21 weist eine Lasche 31 auf, die über eine Kante einer oder beider Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 hinaus steht. Das elektrische Anschlusselement 21 weist auch mindestens einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 33 (3) auf, der innerhalb des Stromkollektors 20 hervor steht.
  • In der in 2A und 2B dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist das Bindematerial 22 des Stromkollektors 20 ein elektrisch leitfähiges Material. Zum Beispiel kann das Bindematerial 22 ein Metall oder ein elektrisch leitfähiges Polymer aufweisen. Da das Bindematerial 22 elektrisch leitfähig ist, kann eine externe elektrische Verbindung zu dem Stromkollektor 20 unter Verwendung lediglich eines elektrischen Anschlusselements 21 hergestellt werden. Insbesondere kann die Lasche 31 einen elektrischen Kontakt zu beiden Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 durch das Bindematerial 22 hindurch herstellen.
  • 3 stellt ein elektrisches Anschlusselement 21 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung dar. Das elektrische Anschlusselement 21 weist eine Lasche 31 und mindestens einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 33 auf, der von der Lasche 31 hervorsteht. Obwohl die Lasche 31 und der mindestens eine elektrisch leitfähige Abschnitt 33 aus Metall hergestellt sein können, sind in der in 3 dargestellten beispielhaften Ausführungsform sowohl die Lasche 31 als auch der elektrisch leitfähige Abschnitt 33 aus einer Mehrzahl von Kohlenstoff-Fasern hergestellt. Insbesondere kann die Lasche 31 aus einer Mehrzahl von benachbart zueinander angeordneten und miteinander verbundenen Kohlenstoff-Fasern hergestellt sein. Hervorstehend von der Lasche 31 kann sich die Mehrzahl von Kohlenstoff-Fasern einzeln ausbreiten, um den elektrisch leitfähigen Abschnitt 33 zu bilden. Das Ausbreiten der Fasern, wie in 3 dargestellt, ermöglicht eine relativ gleichmäßige Verteilung der Kohlenstoff-Fasern zum Beispiel durch den Stromkollektor 20 hindurch. Solch eine Verteilung hilft, einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Lasche 31 und den Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und/oder 13 beizubehalten.
  • Die Lasche 31 kann auch eine Beschichtung 32 aufweisen, die verwendet werden kann, um bestimmte Arten von elektrischen Verbindungen mit der Lasche 31 herzustellen. Zum Beispiel kann die Beschichtung 32 ein Metall aufweisen, wo Kohlenstoff-Fasern zum Herstellen der Lasche 31 verwendet werden. Solch eine Metall-Beschichtung kann die Lebensdauer der Lasche 31 verbessern und guten elektrischen Kontakt zwischen der Lasche 31 und einer externen Schaltung fördern.
  • 4A und 4B stellen einen anderen Stromkollektor 40 dar, der das Verbundmaterial dieser Erfindung aufweist. Wie in 4A und 4B dargestellt, weist der Stromkollektor 40 mittels eines Bindematerials 41 miteinander verbundene Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 auf. Ähnlich zu dem Bindematerial des Verbundmaterials 10 durchdringt das Bindematerial 41 mindestens einige der Poren der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13. Außerdem kann das Bindematerial 41 die Poren der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 in einer Tiefe durchdringen, die gleich oder größer als eine durchschnittliche Porengröße der Schichten 11 bzw. 13 ist.
  • In der in 4A und 4B dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist das Bindematerial 42 ein elektrisch isolierendes Material. Da das Bindematerial 42 elektrisch isolierend ist, kann eine externe elektrische Verbindung zu dem Stromkollektor 40 unter Verwendung zweier elektrischer Anschlusselemente 21 hergestellt werden. Insbesondere wenn der Stromkollektor 40 hergestellt wird, kann ein erstes Anschlusselement 21 zum Beispiel auf der Kohlenstoff-Schaum-Schicht 11 angeordnet werden. Dann wird das Bindematerial 42 sowohl auf dem ersten elektrischen Anschlusselement als auch auf der Kohlenstoff-Schaum-Schicht 11 aufgebracht. Da das elektrisch isolierende Bindematerial 42 das erste elektrische Anschlusselement 21 bedeckt, kann ein zusätzliches elektrisches Anschlusselement benötigt werden, um Kontakt mit der Kohlenstoff-Schaum-Schicht 13 herzustellen, welche auf dem Bindematerial 42 zum Erzeugen einer geschichteten Struktur aufgebracht wird. Folglich kann vor dem Platzieren der Kohlenstoff-Schaum-Schicht 13 auf dem Bindematerial 42 ein zweites elektrisches Anschlusselement 21 auf dem Bindematerial 42 platziert werden. Das zweite elektrische Anschlusselement 21 stellt einen externen elektrischen Kontakt mit der Kohlenstoff-Schaum-Schicht 13 bereit.
  • Dementsprechend sind in 4B zwei elektrische Anschlusselemente 21 dargestellt. Jedes residiert an einer ursprünglichen Schnittstelle (d.h., vor der Durchdringung von Bindematerial 42 in eine der Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 oder 13) zwischen dem Bindematerial 42 und den Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 bzw. 13. Die elektrischen Anschlusselemente 21, die beispielsweise wie in 3 dargestellt konfiguriert sein können, behindern die Durchdringung des Bindematerials 42 in die Poren der entsprechenden Kohlenstoff-Schaum-Schicht nicht.
  • Obwohl die in 4B dargestellte beispielhafte Ausführungsform dieser Erfindung zwei elektrische Anschlusselemente 21 aufweist, können elektrische Verbindungen zu den Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 durch alternative Konfigurationen verwirklicht werden. Zum Beispiel kann ein einzelnes elektrisches Anschlusselement 21 konfiguriert sein, so dass die elektrisch leitfähigen Abschnitte 33 elektrischen Kontakt mit beiden Kohlenstoff-Schaum-Schichten 11 und 13 haben. Zum Beispiel können die leitfähigen Abschnitte 33 angeordnet sein, so dass einige der leitfähigen Abschnitte die Schaum-Schicht 11 kontaktieren und andere leitfähige Abschnitte die Schaum-Schicht 13 kontaktieren. Alternativ kann das elektrische Anschlusselement 21 mit einer ausreichenden Dicke relativ zu der Dicke des Bindematerials 42 dimensioniert sein, so dass ein einzelnes Anschlusselement 21 beide Schaum-Schichten 11 und 13 kontaktieren kann. In diesen beispielhaften Fällen würde ein einzelnes elektrisches Anschlusselement 21 ausreichend sein.
  • 5 stellt eine Batterie 100 in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung dar. Die Batterie 100 weist ein Gehäuse 110 und Anschlüsse 120 auf, die sich außerhalb des Gehäuses 110 befinden. Mindestens eine Zelle 130 ist innerhalb des Gehäuses 110 angeordnet. Obwohl nur eine einzelne Zelle 130 notwendig ist, können mehrere Zellen in Serie geschaltet sein, um ein gewünschtes Gesamt-Potential der Batterie 100 bereitzustellen.
  • Jede Zelle 130 kann aus alternierenden positiven und negativen Platten bestehen, die in eine elektrolytische Lösung, die zum Beispiel Schwefelsäure und destilliertes Wasser aufweist, eingetaucht sind. Sowohl die positive Platte als auch die negative Platte weisen einen in ein Kleister-Material (Pasten-Material), das zum Beispiel ein Bleioxyd aufweist, eingepackten Stromkollektor auf. Wie oben erwähnt, stellen 2A, 2B, 4A und 4B Stromkollektoren 20 und 40 gemäß beispielhaften Ausführungsformen dieser Erfindung dar, die verwendet werden können, um die positive und/oder negative Platte der Batterie 100 zu bilden. Chemische Reaktionen in dem auf den Stromkollektoren der Batterie angeordneten Kleister ermöglichen Speicherung und Freigabe von Energie. Die Zusammensetzung dieses Kleisters und nicht das für den Stromkollektor ausgewählte Material bestimmt, ob ein gegebener Stromkollektor entweder als eine positive Platte oder als eine negative Platte funktioniert.
  • Um die positive Platte und die negative Platte der Batterie 100 zu erzeugen wird ein chemisch aktiver Kleister auf die Stromkollektoren 20, 40 aufgebracht, so dass der chemisch aktive Kleister das Netz von Poren in dem Kohlenstoff-Schaum des Stromkollektors durchdringt. Anfänglich kann der chemisch aktive Kleister, der auf die Stromkollektoren 20, 40 von sowohl der positiven Platte als auch der negativen Platte aufgebracht wird, im Wesentlichen der gleiche sein, was die chemische Zusammensetzung betrifft. Zum Beispiel kann der Kleister Bleioxyd (PbO) aufweisen. Andere Bleioxide sind ebenfalls geeignet. Der Kleister kann auch verschiedene Zusätze, aufweisend zum Beispiel variierende Prozente an freiem Blei, Konstruktionsfasern, leitfähige Materialien, Kohlenstoff und Streckmittel zum Anpassen von Volumen-Änderungen über das Leben der Batterie hinweg, aufweisen. In der Praxis können die Bestandteile des chemisch aktiven Kleisters mit einer kleinen Menge an Schwefelsäure und Wasser vermischt werden, um einen Kleister zu bilden, der innerhalb der Poren 14 der Stromkollektoren 20, 40 angeordnet werden kann.
  • Sobald der Kleister auf den Stromkollektoren 20, 40 platziert wurde, werden die positive Platte und die negative Platte gebildet. Um eine positive Platte zu erzeugen, werden die zum Beispiel einen Bleioxyd-Kleister aufweisenden Stromkollektoren 20, 40 einem Ausheil-Verfahren unterzogen. Dieses Ausheil-Verfahren weist das Aussetzen der geklebten Stromkollektoren 20, 40 einer erhöhten Temperatur und Feuchtigkeit auf, um das Wachsen von Blei-Sulfat-Kristallen innerhalb der Kleisters zu fördern. Um die negative Platte zu erzeugen, können die den Bleioxyd-Kleister aufweisenden Stromkollektoren 20, 40 bleiben, „wie sie sind", mit Ausnahme von einem optionalen Schritt des Trocknens.
  • Wenn die positive Platte und die negative Platte zusammengesetzt wurden, um die Zellen einer Batterie 100 (dargestellt in 5) zu bilden, wird die Batterie 100 einem Lade- (d.h., Formungs-) Prozess unterzogen. Während dieses Lade-Prozesses wird der ausgeheilte Kleister der positiven Platte elektrisch in Bleidioxid (PbO2) getrieben und der Kleister der negativen Platte wird in Bleischwamm konvertiert. Im umgedrehten Fall, während der nachfolgenden Entladung der Batterie 100 werden die Kleister von sowohl der positiven Platte als auch von der negativen Platte in Bleisulfat konvertiert.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das Verbundmaterial dieser Erfindung ist in jeder eines breiten Bereichs an Anwendungen nützlich, wo Materialien mit Korrosions-Beständigkeit, großem Oberflächen-Bereich, elektrischer Leitfähigkeit oder geringem Gewicht wünschenswert wären. Bei einer möglichen Anwendung kann das Verbundmaterial dieser Erfindung als ein Stromkollektor einer Batterie, wie zum Beispiel einer Blei-Säure-Batterie, dienen. Stromkollektoren können die chemisch aktiven Komponenten der Batterie unterstützen und den Stromfluss zwischen den Anschlüssen der Batterie fördern.
  • Da die Stromkollektoren 20, 40 Kohlenstoff-Schaum aufweisen, widerstehen diese Stromkollektoren Korrosion, auch wenn sie Schwefelsäure und dem anodischen Potential der positiven Platte in einer Blei-Säure-Batterie ausgesetzt sind. Als ein Ergebnis kann die Batterie eine signifikant längere Lebensdauer bieten, wenn mit Batterien ohne Kohlenstoff-Schaum-Stromkollektoren verglichen wird.
  • Der Kohlenstoff-Schaum weist ein Netz von Poren auf, das eine große Menge an Oberflächen-Bereich für jeden Stromkollektor 20, 40 bereitstellen. Aus Kohlenstoff-Schaum zusammengesetzte Stromkollektoren zeigen mehr als 2.000 Mal die Menge an Oberflächen-Bereich, die von konventionellen Blei- Stromkollektoren bereitgestellt wird. Die große Menge an mit den Stromkollektoren 20, 40 in Verbindung stehendem Oberflächen-Bereich setzt Batterien in die Tat um, die große spezifische Energiewerte aufweisen. Auf Grund der offenen Zelle, des porösen Netzes und der relativ kleinen Porengröße der Kohlenstoff-Schaum-Materialien ist zum Beispiel der chemisch aktive Kleister der positiven und negativen Platte eng mit dem leitfähigen Kohlenstoff-Material der Stromkollektoren 20, 40 integriert. Somit müssen in dem chemisch aktiven Kleister an einer besonderen Stelle erzeugte Elektronen nur eine kurze Distanz durch den Kleister hindurch wandern, bevor sie auf den leitfähigen Kohlenstoff-Schaum der Stromkollektoren 20, 40 treffen. Dieser Strom kann dann zum Beispiel mittels des elektrisch leitfähigen Abschnitts 33 des elektrischen Anschlusselements 21 fortgeführt werden.
  • Als ein Ergebnis können Batterien mit Kohlenstoff-Schaum-Stromkollektoren 20, 40 verbesserte spezifische Energie- und Leistungswerte bieten. In anderen Worten, diese Batterien können ihre Spannung über einen vordefinierten Schwellenwert für eine längere Zeit aufrechterhalten, wenn sie einer Last ausgesetzt werden, als Batterien, die entweder Blei-Stromkollektoren oder Graphit-Platten-Stromkollektoren aufweisen. Diese Batterien können auch schneller entladen werden als Batterien, die entweder Blei-Stromkollektoren oder Graphit-Platten-Stromkollektoren aufweisen.
  • Die von den Batterien dieser Erfindung angebotenen erhöhten spezifischen Leistungswerte lassen sich auch in reduzierte Ladezeiten übersetzen. Somit können die Batterien für Anwendungen geeignet sein, bei denen Ladeenergie nur für eine begrenzte Zeitdauer verfügbar ist. Zum Beispiel geht in Fahrzeugen sehr viel Energie während normalem Bremsen verloren. Diese Brems-Energie kann zurückerobert werden und zum Laden einer Batterie zum Beispiel für ein Hybrid-Fahrzeug verwendet werden. Die Brems-Energie ist jedoch nur für eine kurze Zeitdauer (d.h., während gebremst wird) verfügbar. Im Hinblick auf ihre reduzierten Ladezeiten können die Batterien dieser Erfindung ein effizientes Mittel zum Speichern solcher Brems-Energie bereitstellen.
  • Die poröse Natur der Kohlenstoff-Schaum-Stromkollektoren erzeugt auch ein verbessertes Substrat für das Zurückbehalten des chemisch aktiven Kleisters der Energie-Speicher-Vorrichtung. Mittels Durchdringens des Kleisters in die Poren der Kohlenstoff-Schaum-Stromkollektoren ist es unwahrscheinlicher, dass der Kleister von den Stromkollektoren entfernt wird. Diese Eigenschaft ist wichtig in Fahrzeugen und anderen Anwendungen, wo Vibration üblich ist.
  • Indem eine Batterie Kohlenstoff-Schaum-Stromkollektoren mit einer Dichte von kleiner als ungefähr 0,6 g/cm3 aufweist, kann sie außerdem wesentlich weniger wiegen als Batterien, die entweder Blei-Stromkollektoren oder Graphit-Platten-Stromkollektoren aufweisen. Andere Aspekte und Merkmale dieser Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche erhalten werden.

Claims (8)

  1. Verbundwerkstoff (10) aufweisend: eine erste Kohlenstoff-Schaum-Schicht (11), die ein Netz aus Poren (14) aufweist; eine zweite Kohlenstoff-Schaum-Schicht (13), die ein Netz aus Poren aufweist; und eine zwischen der ersten und der zweiten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (11, 13) angeordnete Zwischen-Bindeschicht (12); wobei die Zwischen-Bindeschicht (12) zumindest einige der Poren der ersten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (11) und zumindest einige der Poren der zweiten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (13) durchdringt.
  2. Verbundwerkstoff (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Zwischen-Bindeschicht (12) die Poren der ersten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (11) mit einer Tiefe durchdringt, welche gleich oder größer als eine durchschnittliche Porengröße der ersten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (11) ist, und die Poren der zweiten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (13) mit einer Tiefe durchdringt, welche gleich oder größer als eine durchschnittliche Porengröße der zweiten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (13) ist.
  3. Verbundwerkstoff (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Zwischen-Bindeschicht (12) ein elektrisch isolierendes Material aufweist.
  4. Verbundwerkstoff (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Zwischen-Bindeschicht (12) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist.
  5. Verbundwerkstoff (10) gemäß Anspruch 1, wobei jede der ersten und der zweiten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (11, 13) eine durchschnittliche Porengröße von zwischen ungefähr 0,25 mm und ungefähr 2,0 mm aufweist.
  6. Stromkollektor (2) für eine Batterie (100), aufweisend: den Verbundwerkstoff (10) gemäß Anspruch 1; und mindestens ein zwischen der ersten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (11) und der zweiten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (13) angeordnetes elektrisches Anschlusselement (21).
  7. Batterie (100) aufweisend: ein Gehäuse (110); eine positive Klemme (120) und eine negative Klemme (120) außerhalb des Gehäuses (110); mindestens eine Zelle (130), die innerhalb des Gehäuses (110) angeordnet ist und mindestens eine an die positive Klemme (120) angeschlossene positive Platte und mindestens eine an die negative Klemme (120) angeschlossene negative Platte aufweist, wobei die mindestens eine positive Platte den Stromkollektor (10) gemäß Anspruch 6 aufweist und eine auf der ersten und der zweiten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (11, 13) angeordnete chemisch aktive Paste aufweist, so dass die chemisch aktive Paste zumindest einige der Poren sowohl der ersten als auch der zweiten Kohlenstoff-Schaum-Schicht (11, 13) durchdringt; und eine einen Raum zwischen der positiven und der negativen Platte anfüllende elektrolytische Lösung.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs (10), aufweisend: Bereitstellen einer ersten Schicht aus Kohlenstoff-Schaum (11), die ein Netz aus Poren (14) aufweist; Aufbringen einer Schicht aus Bindematerial (12) auf die erste Schicht aus Kohlenstoff-Schaum (11); Platzieren einer zweiten Schicht aus Kohlenstoff-Schaum (13), die ein Netz aus Poren aufweist, auf der Schicht aus Bindematerial (12), um eine geschichtete Struktur zu erzeugen; Ausüben von Hitze auf die geschichtete Struktur und Erweichen der Schicht aus Bindematerial (12), um Permeation des Bindematerials in die Poren der ersten und der zweiten Schicht aus Kohlenstoff-Schaum (11, 13) zu erleichtern; und Ausüben von Druck auf die geschichtete Struktur, so dass die Schicht aus Bindematerial (12) zumindest einige der Poren der ersten Schicht aus Kohlenstoff-Schaum (11) und zumindest einige der Poren der zweiten Schicht aus Kohlenstoff-Schaum (13) durchdringt.
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