用于生产电极板的方法和设备、电极板以及可充电电化学电池

摘要

本发明涉及一种用于生产可充电电化学电池的电极板的方法，该方法具有按如下顺序执行的步骤：a)生产基本上平面的铅栅，该铅栅具有多个格栅条和在格栅条之间形成的多个窗格状的凹处，b)将活性物质引入凹处中和/或引到铅栅的格栅条上，c)通过对设有活性物质的铅栅进行机械冲击而在活性物质中产生槽状凹痕图案，其中，凹痕从活性物质的外表面深入其中。本发明还涉及一种用于生产这种电极板的设备、一种电极板以及一种可充电电化学电池。

说明书

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于生产可充电电化学 电池的电极板的方法。本发明还涉及一种根据权利要求9所述的用于生产这种 电极板的设备、一种根据权利要求10所述的电极板以及一种根据权利要求11 所述的可充电电化学电池。

一般来说，本发明涉及具有板状电池电极的可充电电化学电池领域，该板 状电池电极也被称作电极板。这种可充电电化学电池尤其制造为铅酸电池。在 此，该酸形成液体电解质。根据可充电电池的实施例，液体电解质可以是游离 的或者受限于纤维状材料中。在后一种情况下，这种可充电电池可设计为 AGM电池，其中，AGM表示吸附式玻璃纤维隔板(AbsorbentGlassMat)。在 这些类型的可充电电池中，至少一部分电极板(通常是正电极板)可由微玻璃 纤维隔板覆盖，例如以如下方式，在制造该电极板期间将该电极板包覆于微玻 璃纤维隔板内，类似于包装礼物那样。

对于这些类型的可充电电池，期望在电池首次填充液体电解质时电解质尽 可能迅速且均匀地湿润电极板。根据电极板的具体制造技术，电极板吸收电解 质的能力会有显著不同。

因此本发明的目的在于，说明一种用于生产电极板的方法，该电极板展示 出尽可能与用于生产所述电极板的制造技术无关的改善的电解质吸收能力。此 外，说明一种用于生产电极板的有利的设备、一种电极板以及一种具有这种电 极板的可充电电化学电池。

该目的根据权利要求1通过一种用于生产可充电电化学电池的电极板的方 法来实现，该方法具有按如下顺序执行的步骤：

a)生产基本上平面的铅栅，该铅栅具有多个格栅条和在格栅条之间形成 的多个窗格状的凹处，

b)将活性物质引入该凹处中和/或引到铅栅的格栅条上，

c)通过对设有活性物质的铅栅进行机械冲击而在活性物质中产生槽状凹 痕图案，其中，该凹痕从活性物质的外表面深入其中。

在此要注意的是，本发明的解决方案包括在活性物质中产生凹痕，其中， 这些凹痕从活性物质的外表面深入其中。这种凹痕例如是在活性物质中的裂 纹，尤其是压力裂纹或者应力裂纹，或者是通过对设有活性物质的铅栅进行机 械冲击而产生的裂缝状凹痕。如下面将更详细说明的，当活性物质已至少轻微 地硬化时，能够以特别简单并且容易实现的方式制造裂纹结构。活性物质的 “外表面”(凹痕从该外表面深入其中)在此基本上相应于活性物质已被引入 凹处中和/或引到铅栅的格栅条上以后活性物质的外表面。

通过机械冲击产生的槽状凹痕图案可显著改善电极板的电解质吸收能力。 正电极板(在其中以冲压工艺生产铅栅)尤其显示出显著改善，因为正电极板 还具有相对平滑的活性物质表面。但是，一般而言，本发明对于任何类型的电 极板(无论采用何种制造技术)都可以达到改善电解质吸收能力以及电解质更 均匀地湿润活性物质的目的。因此本发明有利地也适用于在其中例如通过铸造 来生产铅栅的电极板。本发明不仅适用于正电极板，而且也适用于负电极板。 因此，本发明尤其能更好地生产在其中电极板相互紧密地按压在电池壳体内的 可充电电池。

通过机械冲击产生的凹痕从所述活性物质的外表面深入该活性物质中。由 此，凹痕在活性物质的否则会是均匀的表面中形成细裂纹。有利的是，凹痕深 入至少0.5至1mm。凹痕也可完全穿透活性物质，即，一直延伸通过到铅栅的 铅材料，但并非必须如此。凹痕的深度跨凹痕的长度不必相同，并且在不同的 凹痕中深度也可不同。

槽状凹痕图案可以以不同的方式产生。例如，一种类型的压机可以用于对 活性物质进行机械冲击。该压机可已展示出对应于待产生的凹痕的相应凸起结 构。当在设有活性物质的电极板的相对侧面上产生槽状凹痕图案时，也可采用 两个压机，电极板布置在该两个压机之间。然后，压机朝向彼此相对运动，按 压在它们之间的电极板，由此，在电极板的两侧面上产生槽状凹痕图案。

也可通过使设有活性物质的铅栅变形来产生槽状凹痕图案。这在此可利用 所使用的材料(即，铅材料和活性物质材料)的弹性程度不同。尤其，首先膏 状的活性物质干燥/硬化，使得至少与更软的铅材料相比，膏状的活性物质变得 相对较脆。在设有活性物质的铅栅变形期间，铅材料可容易地跟随变形运动而 不受损伤。但是，在此接着发生活性物质的表面结构中的一种断裂，从而将形 成期望的裂纹结构，即，活性物质中的槽状凹痕图案。试验已表明，一次或两 次来回弯曲设有活性物质的铅栅足以达到产生期望的裂纹结构的目的。

用于产生槽状凹痕图案的所提及的方法步骤的组合也是有利的。例如通过 冲击工具或手工可进行机械冲击。在设有活性物质的铅栅的机械冲击中施加的 压力将被调节，以便恰好产生期望的凹痕，而活性物质不脱离铅栅或者铅栅不 受损。因为铅栅本身是相对软的并且可变形的，但是活性物质相对较脆，所以 当压力被准确设置时铅栅将不受损，而在坚硬的活性物质中将形成裂纹。

本发明的一种有利的改进方案设置成仅通过设有活性物质的铅栅的变形， 仅通过对活性物质进行机械冲击，或者仅通过这些可选方案的组合来实现槽状 凹痕图案。这使得槽状凹痕图案能够迅速且有效地产生并且还保持设备成本受 到控制。因此用于生产电极板的设备仅需进行较少的、更经济的的变型。

根据本发明的一种有利的改进方案，在预干燥活性物质期间或在预干燥活 性物质之后，或者在固化活性物质期间或在固化活性物质之后，产生槽状凹痕 图案。该改进方案具有如下优点，活性物质已略微更硬也更脆，并且因此能够 更容易且更迅速地产生期望的裂纹结构。涉及可充电电池的制造的固化指活性 物质的最终硬化，如那时在制成的电极板中发现的那样。

根据本发明的一种有利的改进方案，以圆形剖面轮廓和/或锐边轮廓实现机 械冲击。特别地，在使用上述提及的压机时，压机的表面可具有锐边轮廓。使 用圆形剖面轮廓具有如下优点，以相对温和的方式产生槽状凹痕图案并且能够 更好地避免不希望的对电极板的损伤。尤其避免了活性物质响应于机械冲击而 脱离该电极板，例如由于从各个窗格状的凹处中脱落或者被压出。波形轮廓尤 其可用于圆形剖面轮廓，例如呈交错的辊带、各个柱形辊或者球体或半球体的 形式。

关于锐边轮廓，锐边轮廓例如可以是刀状或者针状的，例如呈冲孔单元或 者刀网的形式。

根据本发明的一种有利的改进方案，用于对设有活性物质的铅栅进行机械 冲击的冲击工具包括辊、圆筒和/或球体和/或半球体，或上压机和下压机，在 上压机和下压机之间按压设有活性物质的铅栅。

根据本发明的一种有利的改进方案，在机械冲击时，设有活性物质的铅栅 相对于冲击工具以连续运动的方式运动。在此冲击工具对设有活性物质的铅栅 进行机械冲击。因此，可连续地拉动或推动铅栅通过例如构造成呈交错的辊带 形式的冲击工具。所述运动也可以是不连续的，从而设有活性物质的铅栅在机 械冲击期间静止，并且在机械冲击之前和机械冲击之后相对于冲击工具运动。 当上文提及的压机用于引入槽状凹痕图案时这是尤其有利的。在该情况下，待 加工的铅栅可被自动驱动到加工站中，压机布置在加工站中，然后操作压机， 并且接下来，在压机移开之后将设有槽凹痕图案的铅栅从加工站中移出。

根据本发明的一种有利的改进方案，分别相对于电极板在可充电电化学电 池中的安装取向，在根据说明书的该电池的正常位置中，沿电极板的水平延伸 方向和/或竖直延伸方向产生凹痕。一般地，水平对齐于电池的底部是根据说明 书的该电池的正常位置。凹痕也可沿结合的水平和竖直延伸方向延伸，即，以 不同的角度斜对地延伸。

在此，槽状凹痕图案可形成不规则的网状结构或者规则的结构。各个凹痕 可彼此合并，相交或者与其他凹痕分离地延伸。

开始时提及的目的还根据权利要求9通过一种用于生产可充电电化学电池 的电极板的设备来实现，其中，电极板包括基本上平面的铅栅，铅栅具有多个 格栅条和在格栅条之间形成的多个窗格状的凹处，以及引入凹处中和/或引到铅 栅的格栅条上的活性物质，其中，该设备包括至少一个用于生产铅栅的铅栅生 产站、一个用于引入活性物质的涂敷站和一个凹痕形成站，在凹痕形成站中， 通过对设有该活性物质的铅栅进行机械冲击而在活性物质中产生槽状凹痕图 案，其中，凹痕从该活性物质的外表面深入其中。

有利的，铅栅生产站和涂敷站系统组件还可在制造这种电极板时就已使用 的设备中使用。仅需要补充凹痕形成站。该凹痕形成站尤其包括用于对设有活 性物质的铅栅进行冲击的冲击工具。冲击工具尤其可根据上文描述的实施例来 设计。有利地，所述设备可实现一种或多种上文提及的用于生产电极板的方 法。相应地，该设备可生产具有开始时提及的优点(尤其具有改善的电解质吸 收能力)的电极板。

根据本发明的一种有利的改进方案，至少凹痕形成站具有外壳以至少在机 械冲击期间将电极板与周围环境屏蔽。这具有如下优点，即将周围环境与在生 产槽状凹痕期间放出的任何可能的污染物(诸如铅尘)屏蔽。

根据本发明的一种有利的改进方案，该设备包括板平滑站，该板平滑站在 加工流程中布置在凹痕形成站之后。因此，在该设备上加工的电极板在凹痕形 成站中机械加工之后到达该板平滑站。在进一步加工之前，在板平滑站中又使 电极板外部平滑。这具有如下优点，即该电极板由此与进一步制造工艺步骤兼 容，并且这些能够执行而不对制造工艺进行任何改变。而在此，槽状凹痕图案 保留于活性物质中。

该板平滑站可与凹痕形成站一起布置在上文描述的外壳中。

凹痕形成站可布置在设备中的如下位置，在此处电极板在固化之后被首次 分离，例如直接在包覆机之前(在包覆机中电极板被包覆在隔板材料中)。那 里的板分离例如可进入凹痕形成站并且从那里到包覆机入口。因为这些类型的 设备在此处已提供保护使得操作人员免于铅尘，所以无需额外的铅尘吸尘装 置。凹痕形成站事实上可在涂敷之后的任何地方(即，在引入活性物质之后直 至将板组插入电池壳体的任何一处)被引入制造过程中。特别地，机械冲击以 产生槽状凹痕图案也可不发生，直到电极板已包覆于隔板材料中。

开始时提及的目的还根据权利要求10通过一种可充电电化学电池的电极 板来实现，其中，电极板包括基本上平面的铅栅，该铅栅具有多个格栅条和在 格栅条之间形成的多个窗格状的凹处，以及引入该凹处中和/或引到该铅栅的格 栅条上的活性物质，其中，活性物质在其表面上具有人为产生的槽状凹痕图 案，其中，凹痕从活性物质的外表面深入其中。

此外，开始时提及的目的还根据权利要求11通过具有至少一个上述提及 的电极板的可充电电化学电池来实现。

下面将参照附图基于示例实施例来更详细地描述本发明。

其中：

图1：可充电电化学电池以及其组件的半分解图；

图2：铅栅；

图3：设有活性物质的铅栅；

图4：将设有活性物质的铅栅包覆在隔板内；

图5：用于生产电极板的设备；

图6至图9：具有圆形轮廓的冲击工具的实施例；以及

图10：压机冲压机。

在图中相同的附图标记表示相同的元件。

将参照图1首先描述根据本发明的可充电电池100的基本结构的示例。可 充电电池100尤其可实施为具有液体电解质(例如，以硫酸形式)的铅酸电 池。可充电电池100包括壳体110，一个或多个极群组107布置在该壳体中。 可充电电池100具有相应于其单元的数量的极群组107的规定数量。极群组 107分别布置在壳体110的通过间隔壁彼此分隔的各个保持室中。极群组107 通过内部连接元件(图1中未示出)在壳体100内相互连接成串联连接。一端 上的极群组的正极板和另一端上的另一极群组的负极板与各自的外部端子 108、109电连接，外部端子108、109设于可充电电池壳体110的覆盖件111 中。用于电力负载的电池100的电能通过端子108、109提供。

极群组107分别展示出交替的正电极板和负电极板。负电极板示出为负极 板组115，正电极板示出为正极板组114。图1还示例性地示出了一些单个电 极板，即具有负极平面铅栅102的负电极板105和具有正极平面铅栅101的正 电极板104。在图1中示出的正电极板104和负电极板105已经涂敷有活性物 质，覆盖各个格栅条和凹处。正极和/或负极铅栅包括多个格栅条和在格栅条之 间形成的多个窗格状的凹处。正极和/或负极铅栅101、102可例如通过冲压工 艺来生产，或者通过其他方法(如铸造和/或轧制)来生产。

此外，正电极板104通过隔板材料106与负电极板105分开。隔板材料 106尤其可设计成保持正电极板104并将其与相邻的电极板分开的包装的形 式。

正电极板104包括相应的连接耳片103，通过所述连接耳片正极板组114 中的电极板以并联连接的方式相互连接。负电极板105包括相应的连接耳片 103，通过所述连接耳片负极板组115中的电极板以并联连接的方式相互连 接。所述连接可通过在图1中可见的联结或焊接到连接耳片103上的连接件 112实现。

根据图1的可充电电池100尤其可包括一个或多个根据本发明的电极板， 例如以正电极板104的形式。

图2以平面图示出了正极铅栅101的示例。可以看到，铅栅101包括多个 格栅条114，在格栅条之间有多个窗格状的凹处113。为了更容易地操作和提 供机械稳定性以及改善其电气性能，铅栅101的外边缘可展示出一个、多个或 所有以下提及的边框部分：上边框部分120、左侧边框部分119、下边框部分 117、右侧边框部分118。

图3示出了已至少部分覆盖有活性物质(通常以膏状形式涂覆)之后的图 2的铅栅101。该过程也被称作涂敷。图4示出了设有活性物质的图3的铅栅 103插入包袋状的隔板106中。

该图5以示意图示出了用于生产电极板(尤其如上文描述的那样的正电极 板104)的设备。该设备包括不同的站1、2、3、4、5、6，具体为铅栅生产站 1、涂敷站2、分离站3、存储站4、凹痕形成站5以及平滑站6。各个站1、 2、3、4、5、6如图5示出的那样依次布置，使得送至铅栅生产站1中的原材 料14将按步骤加工成电极板。

铅栅生产站1将供应到铅栅生产站的原始铅材加工成双链格栅带10。这可 在铅栅生产站1中通过铸造工艺、轧制工艺和/或冲压工艺来实现。双链格栅带 10具有还连着的上链和下链铅栅101。此外，所述上链和下链通过铅栅101的 连接耳片103相互连接。双链格栅带10以后分离为各个铅栅101。

然而，首先活性物质可在涂敷站2中被引入。从而产生了图5中示出的双 链涂敷格栅带11。

根据图5，涂敷站2之后是分离站3。然而，这仅是所描述的设备的一种 可能的实施例。可选地，分离站例如也可布置在平滑站6之后。然而，目前还 是采用图5中示出的实施例。在分离站3中，设有活性物质的各个铅栅104从 双链涂敷格栅带中分离出，所述铅栅在图5也以附图标记12表示。

在将所述电极板12送至凹痕形成站5之前，电极板12或尤其是其活性物 质可进行预干燥，如果适用的话还可进行固化。为此，电极板12可例如暂存 在存储站4中。可选地，也可在凹痕形成站5中立即进行进一步加工。

在凹痕形成站5中，通过对电极板12进行机械冲击而在活性物质中产生 槽状凹痕。之后，在平滑站6中机械加工电极板12，例如通过使电极板12通 过一对轧辊，从而又实现了活性物质的外部平滑。最后从平滑站6中出去的是 具有如图5中所见的槽状凹痕图案15的电极板13。

可选地，可在凹痕形成站5中的加工之前或者之后将电极板包覆于隔板 106中。为此，所述设备附加地包括例如以上述包覆机的形式的位置适当的包 覆站(图5中未示出)。

如果在平滑站6之后才布置分离站3，则格栅带11例如以连续运动的方式 被引导通过凹痕形成站5的冲击工具。此时冲击工具可设计成下面参照图6至 图9阐述的那样。

凹痕形成站5可以以外壳7包围，以将排放物(例如铅尘)与周围环境屏 蔽。平滑站6也可布置在外壳7的内部。

图6至图9示出了凹痕形成站5的冲击工具的实施例，通过该冲击工具可 对设有活性物质的铅栅进行机械冲击，以在活性物质中产生槽状凹痕图案。图 6以侧视图的方式示出了冲击工具8的实施例。冲击工具8包括上组84的辊 80以及下组85的辊80。上组84和下组85的辊80布置成沿竖直方向紧密靠近 或者甚至重叠。各自组84、85的辊80彼此之间沿水平方向具有比沿竖直方向 更大的间距。上组84的辊80)相对下组85的辊80偏移地布置。穿引通过辊 80的格栅带11(其在图6中也以侧视图示出)将由此弯曲成图6中看到的波 形形式。格栅带11离开冲击工具8之后存在的辊又可将波形形式平滑成基本 上平面的格栅带，该基本上平面的格栅带可制成平面的电极板。根据图6的冲 击工具特别适用于铅栅或者格栅带11的连续进给。

图7至图9以从上方，即上组84的辊上的视角示出了冲击工具8的部分 的实施例。根据图7，每个辊80具有柱形冲击主体82，其安装在旋转轴81 上。在根据图8的一个实施例中，辊80具有布置在可旋转主轴81上的球形冲 击主体83。取代具有球形形式，冲击主体83也可具有诸如椭圆形或者有棱角 形式的其他形式。

根据图9，多个图8中示出的球形冲击主体相邻地布置，其中，各个相邻 的球形冲击主体排设置成彼此偏移。图9例如示出了图6的冲击工具的上部分 84。可类似地设计下部分85。

图10示出了一种作为压机冲压机9的冲击工具的实施例。该实施例特别 适用于不连续的电极板12运动，例如适用于已分开的电极板12。待加工的电 极板12按照箭头92方向进给并且放置在压机冲压机9的下模具90上。虽然 下模具90可以如图10所示那样是固定的，但是它也可构造为可移动的下模具 压机。上压机91按照箭头所示方向向下运动到电极板12上。然后电极板12 在上压机91和下模具90之间被按压。在此，用于按压电极板的上压机91和 下模具90上提供的表面区域展示出如下结构，该结构导致在电极板12的活性 物质中产生槽状凹痕图案。之后，上压机91又上升，并且电极板12以箭头93 的方向前进。