專利名稱:具有故障內短路的鎳氫蓄電池的制作方法
本發(fā)明總的涉及蓄電池，特別涉及增壓的鎳氫蓄電池。
可再充電的電池或電池組是儲存和保持電荷并在其后以有效電流的形式輸出電荷的電化學器件?？稍俪潆婋姵氐氖熘邮瞧囉勉U酸電池。另一種類型的、就其重量來說具有更大儲蓄容量的電池為增壓的氣體一金屬電池，它的一個重要形式是用在空間飛行器上的鎳氫電池。衛(wèi)星上所用鎳氫電池周期性地由空間飛行器上的太陽能板產生的電流充電，然后當空間飛行器在陰影中或在用電高峰時放電以提供電能。鎳氫蓄電池以大約1.3伏的電壓輸出電流，并且通常將幾個電池串聯以產生空間飛行器系統所需電壓下的電流。
鎳氫電池包括一系列有效平板單元，它們用電化學方法儲存電荷，然后以有效電流的形式輸出電荷，電池裝在包含平板單元的電解液的壓力容器中，要不然，電池工作時產生的氫氣和氧氣，以及電池工作時產生的水汽，所有這些都可能漏失，使蓄電池不能工作。
增壓氣體蓄電池通常具有良好的可靠性，并且在衛(wèi)星或其它類型的空間飛行器上的正常壽命中可工作上千個充放電周期。然而，這種電池也可能出故障，例如因壓力容器裂縫使一些所含液體和氣體漏失。當這種類型的故障發(fā)生時，電池處于開路狀態(tài)而不能工作，因為電流通過電池的唯一通路是電解液，而它已經逐漸損失掉了。我們記得，通常是將幾個電池串聯成電池組以提供所需電壓下的電流的。其中任何一個電池的開路故障都會危及整個電池組的工作，這是因為不存在通過電池組的繞過故障電池的電流通路。
因為單個電池的故障導致的整個電池組的電位故障，也因為在空間中電池組無法修理，所以空間中用的電池組通常包括探測每一單個電池的故障和提供故障發(fā)生時繞過故障電池的電流通道的故障保護電路。如果發(fā)生故障，故障保護電路將故障電池隔離，并繞過故障電池接通電流。電池組的輸出電壓減少了故障電池的電壓部分，但是通常的做法是在設計電池組時提供足夠的余量使得少數幾個電池的故障不會使電池組的電壓降到空間飛行器所需的電壓以下。
故障保護電路在電池外面，但在電池組內部，它通常包括二極管網絡或繼電器以探測電池的故障并使電流繞過故障電池。這些電子部件和其連帶的導線的重量大大增加了電池組的重量，從而降低了空間飛行器的有效載荷。另外，故障保護電路的故障也會對整個電池組和空間電行器造成危害。
因此，用改進的方法消除這種蓄電池組的單個電池的故障是必要的。這種方法應在不依賴外電路和不超過取消故障保護電路節(jié)省下的重量的情況下可靠地工作以使電池組的功能保持連續(xù)。這種方法也應與現有的鎳氫電池的設計原理完全兼容，因為已知現行設計總的是可靠的。本發(fā)明滿足該要求，并進一步提供了相關的優(yōu)點。
本發(fā)明在鎳氫電池之中，通過其內部的設計，而不需電池外的故障保護電路，在電池出現故障時使電池處于短路狀態(tài)。這樣電池組的單個電池的故障不會造成電池組的故障，只是使其輸出電壓減少了故障電池的電壓。安有這種電池的電池組的重量比通常具有故障保護電路的電池組降低，同時電池的蓄電部分不需改變。
根據本發(fā)明，鎳氫蓄電池包括含有鎳正電極，氫負電極和正負電極之間的隔離器的有效平板部件(亦稱平板單元);含有有效平板單元和在電極中，電極之間的電解液的并具有聯到所述有效平板部件的饋電通路的壓力容器;在壓力容器之中用來當電池上的電壓超過負的特征值時將電流通路短路從而使故障電池處于短路狀態(tài)的裝置。更具體的，鎳氫蓄電池包括有效平板部件，有效平板部件包括鎳正電極，氫負電極和正負電極之間的隔離器;與有效平板部件平行的短路平板部件，短路平板部件包括鎳短路電極，銀可溶電極以及鎳短路電極與銀可溶電極之間的短路隔離器;和包含有效平板部件，短路平板單元和電解液的壓力容器，壓力容器包括聯到平板部件上的饋電通路路。
可溶電極也可用銀以外的材料制成，只要其向電池提供大致相同的功能。從材料的功能上描述，鎳氫蓄電池包括有效平板部件，有效平板部件包括鎳正電極、氫負電極和正負電極之間的隔離器;與有效平板部件平行的短路平極單元，短路平板單元包括短路電極，可溶電極和處在短路電極和可溶電極之間的短路隔離器，可溶電極由與短路電極的材料結合在電池的最高負電壓約0.3伏的正常電池工作情況下具有高過壓的材料而構成，并且它在電解液中是惰性的，而當加到短路平板單元上的負電壓大于約負1.5伏時可溶電極材料在電解液中溶解并可淀積在短路電極上;和包含有效平板單元，短路平板單元和電解液的壓力容器，壓力容器包括聯到平板單元上的饋電通路。短路電極最好是鎳的。銀是做可溶電極的最佳材料，但是其它用于可溶電極的合適材料包括鉛，銅和鎘。
因為在鎳和銀的界面有過壓，所以在電池正常工作的正向約正1.7伏至反向約負0.3伏的范圍內，流過短路平板部件的電流可以忽略。在比正常操作下，本發(fā)明的蓄電池與普通鎳氫電池的工作是基本相同的。如果發(fā)生例如壓力容器壁破裂的故障，則在放電過程中會有大的負電壓加在短路平板部件兩側。如果負電壓超過(即，更負于)約負1.5伏時，銀電極被氧化成一氧化銀Ag2O，它在電解液中是可溶的。可溶的氧化銀遷移到短路電極并還原成銀，結果銀開始淀積在短路電極上。最后，構成跨在短路和銀電極之間空隙上的銀橋，將電極短路，從而將電池本身短路。因為短路平板部件與有效平板單元平行，所以電池被內短路而處于短路狀態(tài)。因此本發(fā)明電池的故障就導致閉路或短路故障，從而電流通過故障電池。故障電池不再產生電壓，但是以故障電池為其中的串聯分量的電池組的總輸出電壓僅減小了故障電池的電壓。不需要外電路就可達到這種故障短路狀態(tài)。
現在可知道，通過使用本發(fā)明，不需要重的故障保護電路，空間飛行器的電池組也可防止因單個電池的開路故障造成的完全失效。在單個電池出故障時，電池中的短路平板部件使電池停止工作處于短路狀態(tài)，所以電池組繼續(xù)工作，只是電壓減少了故障電池的電壓。通過下面結合附圖的詳細描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得很明顯，上述附圖以舉例的方式說明了本發(fā)明的原理。
在附圖中圖1是具有若干串聯電池的飛行型鎳氫電池組的正視簡圖;
圖2是圖1中所說明的型式的一種飛行型鎳氫電池的正剖面圖;
圖3是圖2沿線3-3的詳細說明，說明有效平板部件的結構，分布和電聯接以及短路平板部件裝置的較好型式;
圖4是短路平板部件的另一種結構的正剖面圖;
圖5是短路平板部件的又一種結構的正剖面圖;
圖6是在短路平板單元的工作中作為時間的函數的電壓圖。
鎳氫電池組10儲存由空間飛行器的太陽電池產生的多余能量，然后當太陽電池不能滿足需要時向空間飛行器系統輸出儲存的能量。電池組10包括多個作為能量存儲單元的鎳氫電池12。每個電池12以約1.3伏輸出儲存的能量，這對向大多數空間飛行器系統提供能量來說太低。于是電池12按圖1所描述的形式串聯起來以提供等于電池12的單個電壓之和的電池組電壓。在圖1的例中，如果五個電池12中的每一個都有1.3伏的輸出電壓，則串聯的五個電池以6.5伏的電池組電壓輸出電流。如果電池12之一失效且未提供故障保護，則會出現開路，它阻止電池組10輸出任何電流。通常的外部故障保護電路提供繞過故障電池的外部電流通路，象由圖中虛線導體14所表示的。本發(fā)明提供通過故障電池的內部電流通路，如圖中虛線導體16所表示，從而使電池組10以所剩電池的減少了的電壓繼續(xù)工作，在圖1的例子中為5.2伏。本方法避免了為建立外部電流通路14所需的重的故障保護電路部件的要求。
圖2顯示了鎳氫電池12及其部件。該電池12包括許多并聯的單個有效平板單元部件(亦稱有效平板單元)18(在圖3中詳細描述)。每個有效平板部件18依次包括陽極或正電極20＊，陽極或負電極22以及包含電解液的隔離器24，它在機械上分隔電極20和22，并提供電解介質，通過電解介質發(fā)生離子和電子遷移。電極20和22的充電放電通過兩組電的引線26實現。所有正極20都由一組引線26并聯，而所有負極22都由另一組引線26并聯。
在美國專利第4，369，212;4，283，844;4，262，061;4，250，235;4，000，350;和3，669，744號中公布了圖中結構的鎳氫電池和部件。
正極20最好通過將氫氧化鎳注入多孔燒結的鎳中構成，它支撐在刻蝕的鎳電極襯底上。在負極22的一側覆蓋燒結的鉑黑和聚四氟乙烯的混合體，在其另一側覆蓋一層多孔的聚四氟乙烯23。將這些覆蓋層加到刻蝕片或織網狀的鎳襯底上，以構成稱為氫電極的負電極22上?？梢杂迷S多不同類型的隔離器24，包括如石棉，尼龍和氧化鋯-氧化釔布。將電解液，最好為氫氧化鉀水溶液，31%的溶液更好，注入隔離器24以及注入到電極之間和之內的空間。
單個的有效平板部件18裝在中芯28上構成疊層陣列30。在構成疊層陣列30時，在每個有效平板單元18之間放置單絲聚丙烯網，使得在每個正電極20處的過量充電過程中放出的氧可由電極220擴散到負電極22與氫結合。通過上緊壓在每個疊層陣列30的端頭上的壓板34，使疊層陣列30處在縱向壓力之下，例如約每平方吋10磅。上緊壓板34最好是通過壓緊陣列30然后上緊芯28上的螺絲上的螺母36來完成，從而將Belleville墊圈38與壓板34壓緊使疊層陣列30固定在位。
疊層陣列30密封在壓力容器40之內，上述壓力容器由象Inconel 718鎳基合金一類材料制成，它可經受1000psia(每平方吋磅，絕對值)量級的內部壓力，而不會因氫脆裂或因電解液的腐蝕而損壞。充氣管42使壓力容器40內的氣體含量和壓力得到控制。壓力容器40一般做成具有半球形頂的柱狀管的形式。按圖示的方法，具有尺寸為3 1/2 吋直徑和13吋長的壓力容器40的電池12可含有約40個單個有效平板部件18，結果電池的儲電能力為在約1.3伏的電壓下輸出50安培小時。如果正確地施行充放電則電池12通?？蛇M行上千次的充放電循環(huán)而沒有明顯的損壞。幾個這種電池12可組成電池組，以圖1中描述的方式串聯以獲得高電壓，或者并聯起來以輸出大電流。
通過引線26將電壓加到每個有效平板部件上使電子電電極22流向電極20實現充電。從而將電能以化學反應物的形式儲存在每個有效平板部件18之中，以備以后放電產生有效電流。前述類型的鎳氫電池可由太陽電池陳列用如約5安培1.5伏經過約14小時的充電周期從放電狀態(tài)充滿到約50安培小時的容量。電壓和充電時間變化很大，這依賴于太陽電池陳列提供的功率和空間飛行器的軌道限定的循環(huán)時間。
根據本發(fā)明，電池12在其內部含有當電池兩端的電壓超過約負1.5伏(即，比負1.5伏更負)時將電池短路的裝置。在較好的實施方案中，該裝置為電池12中的與有效平板部件18平行的短路平板部件50，其較好的實施方案在圖3中詳細描述。短路平板部件50包括短路電極52，可溶電極54和將可溶電極54支撐在其上的電極支架56，以及介于短路電極52和可溶電極54之間的短路隔離器58。短路平板部件50由引線26與有效平板部件18在電氣上并聯;并可方便地固定在中芯28上成為疊層陣列30的附件(如圖3所示)。短路電極52與正電極20相連，而可溶電極54與負電極22相連。所使用的制造材料對于短路電極52最好是鎳片對于可溶電極54最好是燒結的銀片，對電極支架56最好是鎳片，而對短路隔離器58最好是改進的氧化鋯布。
電池12處于正常工作狀態(tài)時，流經短路平板部件50的電流因為電極52和54上有過壓而可忽略。如果電池12失效，如因壓力容器破裂使氫和/或電解液漏失，而處于開路狀態(tài)，則會有大于負1.5伏的大的負電壓加在電池12兩端?？扇茈姌O54的材料于是被氧化成可溶于電解液的形式。在可溶電極為銀的所述情況下，銀被氧化成為一氧化銀，在氫氧化鉀電解液中它形成絡合物并被溶解。溶解的氧化銀淀積在鎳電極52上。通過電池10的重復的充/放電周期，沉積的銀的厚度增加，最后變得足夠厚使得它在電極52和54之間構成橋路，于是在電極52和54之間形成電流通路或短路。所以產生高負壓的電池故障直接導致電極52和54的內部短路。電池發(fā)生故障處于短路狀態(tài)而非開路狀態(tài)，因而以故障電池為其一個部件的電池組可以以減低了的電壓繼續(xù)工作。
短路平板部件50的另一實施方案由圖4描述。除了插在短路隔離器58和短路電極52之間的鎳網60外，該平板部件的結構類似于圖3所示的短路平板單元的結構。當銀淀積在短路電極52上并開始形成將平板部件50短路的橋時，產生足夠的熱量，Belleville墊圈38迫使可溶電極54的剩余部分朝向短路電極52并進入鎳網60的孔中，從而加速了短路過程。
現在在圖5中描述短路平板部件50的另一實施方案。該結構類似于圖3中描述的短路平板部件，只是取消了電極支架56。電極支架56支撐可溶電極54和建立并保持與其的電接觸，但它并不起其它的必不可少的作用。如果可溶電極54有足夠的剛性并可與其建立可靠的電接觸，則可如圖5所示的實施方案那樣取消電極支架56。然而，使用可溶電極支架54所增加的可靠性補償了增加的少量重量，所以最好包括支架。
因為鎳材料適合于有效平板部件18的正電極20，所以短路電極52最好為鎳。雖然其它金屬包括鉛，銅和鎘也適于做可溶電極54，但其最好為銀。這些材料在31%氫氧化鉀溶液中的氧化勢為為銀，負0.35伏;銅，0.36伏;鉛，0.58伏;和鎘，0.87伏。所以具有最負的氧化勢的材料，銀，是最合適的。
利用下面的例子描述本發(fā)明的各方面，但是不能將其看成對本發(fā)明任何方面的限制。
例1制備圖3中描述的較好類型的短路平板部件并分別使銀可溶電極為負(相當于正常工作狀態(tài))和為正(相當于故障狀態(tài))進行測試。下列的表Ⅰ總結了測試結果表Ⅰ時間間隔 銀狀態(tài) 電壓(伏) 電流(毫安)初始 - 1.30 8- 1.91 19- 2.54 2250- 1.58 1反向 + -0.44 0+ -0.66 1+ -1.50 16+ -2.58 2781+ -3.03 10110
當短路平板單元工作在小于約1.7伏的正電壓和不負于約0.3伏的負電壓的正常范圍內時，基本沒有電流流過。當電壓增加到超過負1.50伏時(即比負1.50伏更負)，相當于故障電池，電流開始變大，表示銀電極溶解，并淀積在鎳電極上將電池短路。
例2與例1所用的同樣結構的短路平板部件通過連續(xù)的15安培電流，同時使銀電極為正(相當于故障電池)。該電池電壓作為時間的函數如下面的表Ⅱ所報告。
表Ⅱ經歷時間(分) 平板單元電壓(伏)0 3.60.1 3.10.6 2.90.86 2.70.88 2.60.9 1.11.8 0.93 0.6612 0.5926 0.5767 0.53
123 0.50189 0.49251 0.46397 0.43電壓的條帶記錄儀軌跡顯示連續(xù)的沒有瞬變的下降，表明存在所希望的通過平板部件的短路電路在緩慢，不斷地建立起來。
例3在例1中所用類型的短路平板部件工作在通常的充電和放電條件下(如圖6所示)。通過在短路平板部件上加大的負電壓，同時使銀可溶電極為正，建立模擬的故障。在負電壓增高時，短路平板單元以所希望的方式起作用，短路使跨過平板部件的電壓很低。
如例子所展示的，本發(fā)明的短路平板部件以所希望的方式運行，使其所在的電池因故障不能工作時處在短路，而不是開路狀態(tài)。不需要外部的故障保護電路，從而在保證了電池組的連續(xù)運動的同時減少了它的重量。雖然為描述方便詳細地敘述了本發(fā)明的特別的實施方案，但是可在不偏離本發(fā)明的精神和領域的情況下做出各種改進。所以，本發(fā)明不被限制，除非來自所附的權利要求
書。
權利要求
1.鎳氫蓄電池，包括有效平板部件，所述有效平板部件包括鎳正電極、氫負電極以及在所述正電極和所述負電極之間的隔離器；與所述有效平板部件平行的短路平板部件，所述短路平板部件包括短路電極，可溶電極和在所述短路電極和所述可溶電極之間的短路隔離器，所述可溶電極是由與短路電極的材料配合在電池正常工作時(此時所述電池最高負電壓為約負0.3伏)具有高過壓的材料構成，并且它在電解液中是惰性的，而當加到所述短路平板部件上的負電壓大于負1.5伏左右時所述可溶電極材料在所述電解液中可溶解并能淀積在短路電極上；包括所述有效平板部件，所述短路平板部件和電解液的壓力容器，所述壓力容器包括聯到所述平板部件上的饋電通路。
2.權利要求
1的蓄電池，其中所述可溶電極由從包括銀，鉛，銅和鎘的一組材料中選出的材料構成。
3.權利要求
1的蓄電池，其中所述可溶電極由銀構成。
4.權利要求
1的蓄電池，其中所述短路電極由鎳構成。
5.權利要求
1的蓄電池，其中所述可溶電極支撐在電極支架上。
6.權利要求
1的蓄電池，其中所述短路平板單元進一步包括插在所述短路電極和所述短路隔離器之間的網。
7.權利要求
1的蓄電池，包括許多所述有效平板單元。
8.權利要求
1的蓄電池，其中電解液是氫氧化鉀的水溶液。
9.鎳氫蓄電池，包括有效平板部件，所述有效平板部件包括鎳正電極，氫負電極和在所述正電極和所述負電極之間的隔離器;與所述有效平板部件平行的短路平板部件，所述徑路平板部件包括鎳短路電極，銀可溶電極和在所述鎳短路電極和所述銀可溶電極之間的短路隔離器;內含所述有效平板部件，所述短路平板部件和電解液的壓力容器，所述壓力容器包括通到所述平板部件的饋電通路。
10.權利要求
9的蓄電池，包括許多所述有效平板部件。
11.權利要求
9的蓄電池，其中電解液為氫氧化鉀的水溶液。
12.權利要求
9的蓄電池，其中可溶電極支撐在電極支架上。
13.權利要求
9的蓄電池，進一步包括在所述短路電極和所述短路隔離器之間的網。
14.權利要求
9的蓄電池，其中所述徑路隔離器由氧化鋯構成。
15.鎳氫蓄電池，包括有效平板部件，包括鎳正電極，氫負電極和在所述正電極和所述負電極之間的隔離器;包含所述有效平板部件和電解液的壓力容器，所述壓力容器具有聯到所述有效平板部件上的饋電通路;包含在所述壓力容器中的裝置，用于當所述電池兩端的電壓超過負的特征值時用電化學將通過所述電池的電流通道短路，從而所述電池處于短路狀態(tài)。
16.權利要求
15的蓄電池，其中所述裝置包括短路平板單元。
專利摘要
鎳氫蓄電池(12)，它具有在電池(12)的壓力容器(40)內部的裝置，當出現開路狀態(tài)的電池故障時將電池短路，使其所在電池組在僅減少故障電池電壓的電壓下繼續(xù)蓄電。在容器內部平行于有效平板部件(18)的短路平板部件(50)包括銀電極(54)，它在常態(tài)為惰性的，而當電池兩端放電電壓增大到大負值(表明電池的開路故障)時溶在電池電解液中。于是銀被鍍到常態(tài)下是正的鎳電極上，銀在鎳電極和銀電極間的空隙中搭成橋，將其短路，從而將電池短路。
文檔編號H02H7/18GK87104502SQ87104502
公開日1988年1月20日 申請日期1987年6月29日
發(fā)明者斯達特尼克·斯蒂文·J, 羅格斯·哈瓦德·J 申請人:休斯航空公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan