JP2011527822A - 強化型電池セパレータ - Google Patents

Abstract

電池において使用するためのセパレータが開示される。様々な実施形態において、セパレータは、突起肩部と、３つ以上のサイズのリブと、肩部上の厚くした小リブと、肩部内のリブとを含む。開示のセパレータは、従来のセパレータよりも、破裂や裂け傷に起因する故障に対する耐性を有する。

Description

優先権
本出願は、参照によりその全文が本明細書に組み込まれる、２００８年７月１０日に出願された、米国仮出願第６１／０７９，６１２号の優先権を主張するものである。
本出願は、電池（例えば、輸送手段の始動、照明、および点火用途のための電池を含む鉛酸蓄電池、船用蓄電池、民生用電池、産業用電池、ハイブリッド電気車やマイクロハイブリッド車に使用するための電池など）の分野に関する。本出願は電池セパレータに関する。より詳細には、本出願は、セパレータの肩部付近により厚い領域を有する、厚さが変化するセパレータに関する。

自動車といった輸送手段において使用するために、電池やセルといった電力貯蔵装置を設けることが知られている。例えば、鉛蓄電池が、始動、照明、および点火用途（「ＳＬＩ」）で使用されている。

隆起リブを、その他の部分は平坦なバックウェブ上に（圧力短絡を防ぐように）有する電池セパレータを製造することが知られている。リブは、一般に、セパレータの全幅にわたって等間隔で配置される。しかし、かかる公知のセパレータは、いくつかの有利な特徴（および／または特徴の組み合わせ）を実現しない。

一例示的実施形態は、バックウェブ厚さを有するセパレータ材料のバックウェブと、第１の距離だけバックウェブ厚さ外に突出している少なくとも１つの大リブと、第２の距離だけバックウェブ厚外に突出している少なくとも１つの中リブとを含み、第１の距離が第２の距離より大きく、各リブがほぼ等間隔で配置されている、電池セパレータに関する。

また、別の例示的実施形態も、複数のほぼ等間隔で配置されたリブを有するセパレータ材料のバックウェブと、肩部小ラブを有する肩部と、各肩部上の中リブとを含む、電池セパレータに関する。

別の例示的実施形態は、少なくとも１つのアノード（陽極）と、少なくとも１つのカソード（陰極）と、少なくとも１つのセパレータとを含み、セパレータが大リブと中リブとを有するセパレータ材料のバックウェブを含み、各リブがほぼ等間隔で配置されている、電池に関する。

別の例示的実施形態は、少なくとも１つのアノード（陽極）と、少なくとも１つのカソード（陰極）と、少なくとも１つのセパレータとを含み、セパレータが、複数のほぼ等間隔で配置されたリブを有するセパレータ材料のバックウェブと、肩部小ラブを有する肩部と、各肩部上の中リブとを含む、電池に関する。

別の例示的実施形態は、中央リブを含む奇数本のリブを有するセパレータ材料のバックウェブを形成するステップを含み、セパレータが中央リブに関して対称であり、中央リブの両側面までの各リブの間隔が、セパレータサイズにかかわらず全てのセパレータについて同じである、異なるサイズの電池セパレータを製造する方法に関する。

本発明によるシステムおよび方法の様々な実施形態の上記その他の特徴および利点は、本発明による様々な装置、構造、および／または方法の様々な例示的実施形態の以下の詳細な説明において説明され、あるいは以下の詳細な説明を読めば明らかになるものである。

本開示によるシステムおよび方法の様々な例示的実施形態を、添付の図を参照して説明する。

一例示的実施形態による電池を含む輸送手段を示す等角図である。 一例示的実施形態による電池とその構成要素の一部分を示す等角切断図である。 一例示的実施形態による、打抜き格子と活物質とを含む極板または電極（正極板など）を示す正面断面図である。 一例示的実施形態による打抜き格子（正の格子など）を示す正面図である。 一例示的実施形態による、極板または電極（負極板など）とセパレータとを示す等角分解組立図である。 第１の例示的実施形態によるセパレータを示す等角図である。 第２の例示的実施形態によるセパレータを示す等角図である。 第３の例示的実施形態によるセパレータを示す部分等角図である。 標準セパレータを有する電池についてのコールドクランク性能を追跡した確率プロットである。 一例示的実施形態によるセパレータを有する電池についてのコールドクランク性能を追跡した確率プロットである。 図９および図１０に示す電池のコールドクランク性能を比較したボックスプロットである。

図面は必ずしも縮尺通りであるとは限らないことを理解されたい。本発明を理解するのに必要ではないか、またはその他の詳細を把握しにくくする項目は省略されている場合もある。当然ながら、本発明は必ずしも本明細書に示す個々の実施形態だけに限定されるものではないことを理解されたい。

図１を参照すると、一例示的実施形態による電池１００を含む輸送手段１４０が示されている。輸送手段１４０は自動車として示されているが、様々な代替の実施形態によれば、輸送手段１４０には、特に、自動二輪車、バス、レクリエーション用自動車、ボートなどを含む任意の様々な種類の輸送手段が含まれ得る。一例示的実施形態によれば、輸送手段１４０は、原動力として内燃機関を使用する。

図１に示す電池１００は、輸送手段および／または様々な輸送手段のシステム（始動、照明、および点火の各システムなど）を始動させ、または動作させるのに必要とされる電力の少なくとも一部分を提供するように構成されている。さらに、電池１００は、輸送手段が関与しない様々な用途において利用されることができ、このようなすべての用途も本開示の範囲内に該当するものであることも理解されたい。

図１に示す電池には、任意の種類の二次電池（充電式電池など）が含まれ得る。一例示的実施形態によれば、電池１００は鉛蓄電池である。鉛蓄電池の様々な実施形態は、密閉型（無保守など）とすることも、非密閉型（湿式など）とすることもできる。

一例示的実施形態による電池１００を図２に示す。様々な実施形態において、電池１００は、電解質を含む容器またはハウジング１１０の分離した区画に設けられる複数のセル要素を含む。本明細書で提示する図は、自動車用途に関するものであり、標準的な自動車用１２ボルト電池を製造するのに、６つのスタックのそれぞれにおいて、１２〜１６枚の極板のグループが使用される。本明細書を読めば、当業者には、個々の極板のサイズと数、任意の個々のスタック内の極板のサイズと数、および電池を組み立てるのに使用されるスタックの数は、所望の最終用途に応じて幅広く変化し得ることが明らかであろう。

様々な実施形態において、ハウジング１１０は、箱形のベースまたは容器を含み、成形用樹脂で作成されることができる。複数の極板ブロックが、鉛蓄電池の容量に従って直列に接続されており、一般には硫酸水溶液である電解質と共に電池容器またはハウジング１１０内に収容されている。

様々な実施形態において、電池は、前壁、端壁、後壁、および底壁を有する区画を含む。様々な実施形態において、端壁間には５枚のセル隔壁または仕切りが設けられており、１２ボルトの自動車用電池に通常備わっている６区画が形成されている。様々な実施形態において、各区画には１つの極板ブロックが位置し、各極板ブロックはそれぞれ、少なくとも１つの耳１０３を有する１枚以上の正極板１０１および負極板１０２と、正極板１０１と負極板１０２との間ごとに配置されたセパレータ４２０とを含む。

ハウジング１１０のためのカバー１１１が設けられており、様々な実施形態において、カバー１１１は、セルに電解質を追加させ、修理を可能にするための端子ブッシングと注液管とを含む。注液管からの電解質の不要なこぼれを防止し、電気化学反応時に生成されるガスの排気を可能にするために、電池は、１つ以上の液口栓および／または排気口栓部品も含んでいてよい。

少なくとも１つの正極端子１０４と少なくとも１つの負極端子１０５とが、電池１００の上面または前面区画の上または周囲にあってもよい。このような端子１０４、１０５は、通常、電池の設計に応じて、電池ハウジング１１０のカバーおよび／または前面を貫通して延出し得る部分を含む。また、様々な実施形態において、各端子は、酸の漏れを防ぐために端子シール部品も貫通して延出する。当分野で公知の上面、側面、または隅部の各構成を含めて、様々な端子配置が可能であることが理解されるであろう。

また図２には、極板セットの各耳１０３を電気的に結合するのに充分な長さの矩形の細長い本体部分と、丸い先端を有すし上方に延出する部材とを含む従来のキャストオンストラップ１０６も示されている。また図２には、耳１０３を負極端子１０５に結合するキャストオンストラップ１０６も示されている。図２に示すように、様々な実施形態によれば、ストラップ１０６は、各端区画（ｅｎｄ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）内の個々の耳１０３を結合する本体部分と、カバーを貫通して突出し得る、本体部分と一体として形成された柱とを含む。

各セル要素または区切りは、少なくとも１枚の正極板１０１と、少なくとも１枚の負極板１０２と、正極板１０１と負極板１０２との間ごとに位置決めされたセパレータ４２０とを含む。セパレータ４２０は、短絡と、電池１００内で発生する反応時に生成される望ましくない電子流とを防止するために極板１０１と１０２との間に設けられる。

正の電極板１０１と負の電極板１０２とは、これらの製造方法に従って様々な種類に分類することができる。一例として、図３〜５にペースト形電極を示す。様々な実施形態において、ペースト形電極は、格子１０７基板と、基板上に設けられた電気化学的活物質または「ペースト」とを含む。格子１０７は、基板の機械的強度を向上させるために、カルシウムのトレースを含む軟質合金で形成されていてもよい。

図３〜５を参照すると、極板はそれぞれ、電気化学的活物質を支持する鉛または鉛合金製の格子１０７を含む。格子１０７は、電流を伝える働きをする正と負との活物質またはペーストの間に電気接点を提供する。また格子１０７は、極板を形成するために製造時に基板上に付着されるかまたは他の方法で施される電気化学的活物質（ペーストなど）を支持するのに役立つ基盤としても使用される。

以下でより詳細に示すように、鉛蓄電池格子製造の公知技術には、（１）ブックモールド重量鋳造といったバッチ工程と、（２）ストリップエキスパンド加工、ストリップ打抜き加工、連続鋳造、連続鋳造後の圧延といった連続工程とが含まれる。これらの工程から製造される格子は、個々の工程の特徴を示す固有の特徴を有し、特にペースト工程に関して、鉛蓄電池において異なる挙動を呈する傾向がある。利用される格子は、任意の従来の格子製造工程から形成されるものでも、後から開発される格子製造工程から形成されるものでもよく、本発明を本明細書で開示する格子設計だけに限定することは意図されていないことを理解されたい。

様々な実施形態において、少なくともいくつかの格子１０７は打抜き格子である。図３には、その上に活物質またはペーストが施された打抜き格子１０７（例えば正極板用の格子）の一例示的実施形態が示されている。図４には、活物質なしの、図３に示す打抜き格子１０７が示されている。様々な実施形態において、打抜き格子は、上枠要素と、第１および第２の側枠要素と、下枠要素とを含む。様々な実施形態において、打抜き格子は、電流を発生させる活物質またはペーストを保持するのに役立つ開口領域（ｏｐｅｎ ａｒｅａ）を定義する連続した格子ワイヤを含む。様々な実施形態において、電流収集用耳（突部）１０３が、上枠要素と一体化されている。図３〜４には、耳１０３が上枠要素の中央からずれたものとして示されているが、耳は代替的に中央に配置されることも、第１または第２の側枠要素のどちらかにより近く位置決めされることもできる。上枠要素は、耳への電流伝導を最適化するために、少なくともその一部分が耳の真下に位置する、拡大された導電区間を含むことができる。

下枠要素は、打抜き格子の残りの部分を電池容器の底部から間隔を置いて配置するために１つ以上の下方に延在する足部（不図示）を有するものとして形成されることができる。様々な実施形態において、打抜き格子のワイヤの少なくとも一部は、ワイヤの電流容量を最適化して発生する電流を下部から上部まで運ぶのに役立つように、その下部から上部までの長さに沿って断面積が増加し、かつ／またはテーパー形状を有する。側枠要素間のワイヤの幅および間隔は、打抜き格子の幅全体にわたってほぼ等しい電位点が生じるように事前に決定されることができる。また、電気化学ペーストの支持を助け、かつ／またはペーストペレットの形成を可能にするために、様々な実施形態において、打抜き格子は、等間隔で上枠要素および／または下枠要素と平行に配置されている水平ワイヤも含む。しかし、図３〜４に示すように、水平ワイヤの少なくとも一部は、等間隔で広がっていなくても、あるいは上枠要素および／または下枠要素と平行に配置されていなくてもよい。

様々な打抜き格子設計が利用されることができる。例えば、それぞれ参照によりその全文が本明細書に組み込まれる、米国特許第５，５８２，９３６号、第５，９８９，７４９号、第６，２０３，９４８号、第６，２７４，２７４号、第６，９２１，６１１号、および第６，９５３，６４１号、ならびに米国特許出願第１０／９９６，１６８号、第１１／０８６，５２５号、第１０／８１９，４８９号、第６０／９０４，４０４号の各明細書を参照されたい。無数の格子設計を利用することができ、したがって、本発明を例示目的で提示される図３〜５に示す格子設計だけに限定することは以下の説明の意図するところではないことに留意されたい。

図５には、エキスパンド加工金属格子（負極板用の格子など）の一例示的実施形態が示されている。様々な実施形態において、エキスパンド加工金属格子は、当分野で周知のパターン（図５に示すようなひし形パターンなど）を有し、下枠要素と、耳１０３と一体である上枠要素とを有する。

図３〜５を参照すると、格子ワイヤの横断面は、格子製造工程によって異なり得る。しかし、電池ペーストの付着性を改善するのに役立つように、様々な実施形態において、格子ワイヤは、機械的に再整形され、再仕上げされてもよい。その形状が適切なペースト付着特性を実現する限り、いくつもの格子ワイヤ形状が利用され得ることを理解されたい。例えば、ワイヤの横断面は、ほぼ楕円形、ほぼ矩形、ほぼひし形、ほぼ偏菱形、ほぼ六角形、および／またはほぼ八角形のものを含む任意の横断面設計のものとすることができる。電池格子においては、各格子ワイヤ区間が異なる横断面構成を有していてもよく、各格子ワイヤ区間が同じまたは同様の横断面構成を有していてもよい。しかし、各格子ワイヤ区間が同じ横断面を有している方が好ましい。必要に応じて、格子１０７は、垂直ワイヤ要素だけ、水平ワイヤ要素だけ、または垂直と水平両方のワイヤ要素において変形させることができる。

活物質またはペーストは、通常、格子１０７上に塗布され、付着され、または他の方法で施された鉛系材料（電池の様々な充電／放電段階によってＰｂＯ、ＰｂＯ_２、ＰｂまたはＰｂＳＯ_４）である。ペースト組成物は、当分野で既知であるように、所要電力、費用、および電池環境によって決定され得る。様々な実施形態において、鉛蓄電池の活物質は、酸化鉛、硫酸、および水を混合することによって調製される。酸化鉛は、硫酸と反応して、一塩基性、三塩基性、および／または四塩基性の硫酸鉛を生成する。また、活物質には、繊維やエキスパンダといった乾燥添加物も添加されることができる。例えば、様々な実施形態において、活物質には、微粉炭素（ｆｉｎｅｌｙ−ｄｉｖｉｄｅｄ ｃａｒｂｏｎ）（ランプブラックやカーボンブラックなど）といったエキスパンダ、硫酸バリウム、および様々なリグニンを含むことができる。様々な実施形態において、この混合物は次いで乾燥され、水が再度加えられて所望の濃度のペーストが生成される。

正の格子上に設けられる活物質（過酸化鉛［ＰｂＯ_２］など）は、通常、微小粒子形状であり、そのため、正の電極板上の過酸化鉛微小粒子全体に電解質を拡散させ、透過させる。負の電極板の活物質である海綿状鉛は、通常、多孔質で、反応しやすく、そのため、負の電極板上の海綿状鉛全体に電解質を拡散させ、透過させる。

活物質の格子１０７からの分離を防止し、電極の製造に際して活物質を扱いやすくするように、格子上に付着させた後の活物質の支持体として、活物質の表面の少なくとも一方にペースト紙（不図示）が接着されるか、または他のやり方で設けられることができる。活物質の分離および取扱いの問題と、初期の高率放電劣化とを防止するために、活物質の表面または活物質上に、紙の代わりに代替として（例えばミクロンサイズの細孔を有する）多孔質不織布が設けられることができる。例えば、スパンボンディングや、熱接着により熱可塑性樹脂から合成された不織布が使用されることができる。様々な実施形態においては、１つまたは複数のポリエステル、ポリプロピレン、ビスコースレーヨンで形成された不織布が使用される。

様々な実施形態においては、１枚以上の電池セパレータ４２０を使用して、正の電極板１０１と負の電極板１０２とが導電的に隔離される。セパレータ材料は、通常、正の電極板１０１と負の電極板１０２からのイオンの通過を可能にするように微孔質である。様々な実施形態において、自動車電池用のセパレータ４２０は、通常、連続した長さとして製造され、圧延され、続いて、図５に示すように折り畳まれ、その縁部の１つ以上に沿って封止されて、極板（図５に示す負極板や図２に示す正極板など）を受容する袋が形成される。しかし、様々な実施形態において、１つ以上のセパレータ４２０は、リブが、極板を受容するように形成される袋の内側に並ぶように折り畳まれることができる。

様々な実施形態において、セパレータ材料は、一般には、ほぼ均一な厚さと、ほぼ均一な細孔分布を有する。細孔分布は、動作時の全般的に均一な電流密度を確保させ、それによって、電極の均一な充電および放電、ならびに最大電池効率を達成するのに役立つ。セパレータ４２０は、一般には、セパレータ４２０を補強するのに役立つように（例えば図５に示すような）１本または複数本のリブを組み込んでいる。リブには、様々な横断面形状（矩形、三角形、丸、のこ歯状など）、またはその組み合わさった形状を持たせることができる。

図６〜８を参照すると、本開示のために、全体的な特徴の向きおよび配置が、斜視端面図として参照されている。様々な実施形態において、開示のセパレータは、一般には、セパレータに沿って長手方向に通る１本以上の隆起（突起）リブを特徴とする。セパレータは、様々な例示的実施形態によれば、少なくとも１本の突起リブと２つの肩部とを有する。

一例示的実施形態では、図６に示すように、セパレータ１２０は、数本の大リブ１２１と中リブ１２２とを含む。従来のリブ付きセパレータは、通常、中リブ１２２ではなく、相対的に小さい小リブを含む。従来の小リブは、通常、高さ約０．１５ｍｍである（特に断らない限り、提示される様々なリブの高さは、セパレータバックウェブの上部、すなわち、リブの遠位に最も近いバックウェブの面またはその上にリブが設けられているバックウェブの面から測定されるものである）。様々な例示的実施形態において、中リブ１２２は高さ約０．４５ｍｍから約０．６０ｍｍまでである。この相対的に高い中リブ１２２は、従来の小リブと比べて、電極板をセパレータバックウェブから離した状態でより適切に保持することができる。様々なリブは、一般には、相互に平行である。様々な実施形態において、大リブ１２１は高さ約０．６０ｍｍから約１．９０ｍｍまでである。大リブ高さ対中リブ高さの比は、約４．２５：１程度とすることができ、１：１より大きい（４：３など）。大リブのサイズは、一般に、適正な量の酸を収容し、および／または電池区画内の空間を埋めるために電極板間に必要とされる間隔によって決定される。

様々な例示的実施形態において、セパレータは、奇数本の大リブ１２１（例えば７本の大リブ）を有し、各リブは、１本の大リブがセパレータを２つの相対的に同寸法の部分に分けるように対称的に配置される。電池製造に際して、様々な例示的工程において、セパレータは、図５に示すような、電極を配置するためのエンベロープを形成するように、ローラにより折り機を通して供給される。従来のセパレータは、大リブと小リブとの間隔がサイズの異なるセパレータ間で変化するという点で、一定でないプロファイルを有する。プロファイルが変化するセパレータは、電池製造に使用するのが難しい場合もある。というのは、このようなセパレータは、ローラの中でずれて、セパレータの不均一な表面が原因で時間の経過と共にローラ内に形成される溝に嵌まりやすくなるからである。異なる幅のセパレータ上で一定のプロファイル面を使用すること、およびセパレータの中央に大リブ１２１（すなわち「中央リブ」）が通っていることは、どちらも、ローラにおけるセパレータ追従性を改善し、セパレータと電極板との整合（位置合わせ）性を高める。

様々な例示的実施形態において、セパレータ１２０は、各大リブ１２１の間にほぼ等間隔で配置された３本の中リブ１２２を有する。図６に示す例示的実施形態では、セパレータ１２０は、７本の大リブ１２１と、７本の大リブ１２１それぞれの間に６組の３本の中リブ１２２とを有する。

様々な例示的実施形態においては、図６に示すように、セパレータは、肩部１２４、すなわち、セパレータ縁部１２７と最も近い大リブとの間のセパレータ１２０の各側の領域を含む。従来のセパレータは、通常、高さ約０．１０ｍｍの複数本の肩部小リブを含む。様々な例示的実施形態において、セパレータ１２０は、複数本の改良型肩部小リブ１２５、および／または少なくとも１本の中リブ１２２を備える肩部１２４を有する。様々な例示的実施形態において、肩部小リブ１２５は、０．１０ｍｍを上回る高さ（約０．１５ｍｍなど）を有し、１本以上の中リブは、肩部小リブ１２５を上回る高さを有する。

様々な実施形態においては、図７に示すように、セパレータ２２０は、数本の大リブ２２１（比較的大きいリブなど）と、中リブ２２２（中程度のサイズのリブなど）と、小リブ２２３（比較的小さいリブなど）とを含む。様々な例示的実施形態において、これら様々な種類のリブは、全体として相互に平行であり、および／または少なくとも両肩部の間において等間隔で配置されている。幅の異なるセパレータにわたる様々な例示的実施形態において、大リブ２２１、中リブ２２２、および小リブ２２３の間隔は、電池製造時の追従性を改善するために同一に保たれる。またセパレータ２２０は、好ましくは、奇数本の大リブ２２１を有し、これが、セパレータ追従性を助長する。様々な例示的実施形態において、中リブ１２２は、高さ約０．４５ｍｍから約０．６０ｍｍまでである。

様々な例示的実施形態において、セパレータ２２０は、大リブ２２１間に２本の中リブ２２２と、３本の小リブ２２３とを有する。かかる実施形態においては、１本おきのリブが小リブ２２３である。図７の例示的実施形態では、両肩部の間に、７本の大リブ２２１と、１２本の中リブ２２２と、１８本の小リブ２２３とがある。様々な例示的実施形態において、セパレータ肩部２２４は、それぞれ、図７に示す中リブ１２２と同様に、少なくとも１本の中リブまたは１本の小リブまたは小リブ２２２を含むことができる。

様々な例示的実施形態においては、図７に示すように、セパレータは肩部２２４を含み、肩部２２４は、セパレータ縁部２２７と最も近い大リブ２２１との間の、セパレータ２２０の両側領域として定義される。従来のセパレータは、通常、高さ約０．１０ｍｍの複数本の肩部小リブを含む。様々な例示的実施形態において、セパレータ２２０は、複数本の改良型肩部小リブ２２５、および／または少なくとも１本の中リブ２２２を備える肩部２２４を有する。様々な例示的実施形態において、肩部小リブ２２５は、０．１０ｍｍを上回る高さ（例えば約０．１５ｍｍ）を有する。

図８を参照すると、様々な実施形態において、セパレータ３２０は、少なくとも１本の突起リブ３２１を有する誘電体のバックウェブ（シートやブラケットなど）を含む。また、様々な実施形態において、セパレータ３２０は、セパレータ３２０の縁部に最も近いリブ３２１と縁部との間に肩部３２４も含む。様々な実施形態においては、図８に示すように、数本のリブ３２１は、通常、セパレータ３２０の幅全体にわたり両肩部の間にほぼ等間隔で配置されており、長手方向に通っている。様々な実施形態において、肩部３２４は、肩部３２４の他の１つ以上の部分と比べて相対的に厚い隆起部分３２６を含む。様々な実施形態において、隆起部分３２６は、通常、リブ３２１のいずれよりも高さが低く、幅が広い。

様々な実施形態において、隆起部分３２６は、セパレータ３２０の縁部までも延在せず、最も近いリブ３２１までも延在しない。よって、かかる実施形態では、縁部と隆起部分３２６との間に、隆起していない、あるいはほぼ同一の厚さの領域が生じる。隆起部分３２６の幅および位置は、電極板の幾何学的形状を含む要因に応じて変化してもよい。様々な例示的実施形態において、隆起部分３２６は、おそらくは、他の余分な領域をカバーせずに、破裂が生じる可能性の最も高い領域のみをカバーするようなサイズとされ、そのように位置決めされる。

様々な実施形態において、隆起部分３２６は、少なくともその１以上の縁部などにおいて、勾配が付いている。例えば、様々な実施形態において、隆起部分３２６の縁部は、セパレータ３２０表面から離れる方向に曲がる角度を有する。一例示的実施形態では角度は約４５度である。様々な実施形態においては、リブ３２１の１以上の側面も傾いている。様々な実施形態において、リブ３２１の側面は、隆起部分３２６より急な角度で傾いている。例えば、様々な実施形態において、リブ３２１の側面の角度は、セパレータ表面に対する垂線から７度とすることができる。

様々な実施形態において、肩部３２４上の厚肉部分３２６の幅は、肩部３２４の幅より狭い。肩部全体を隆起させた（すなわち、隆起部分の幅が肩部の幅と同じまたはほぼ同じである）セパレータ１２０は、肩部におけるセパレータの穴あきは最小限に抑えるが、コールドクランク性能に悪影響を及ぼす可能性もある（厚くしたセパレータのどの程度の部分が電極板の面を覆っているかに依存する）。さらに、かかる実施形態では、セパレータの縁部が波打ち、圧延がより困難になる傾向にある。よって、前述の実施形態では、肩部３２４全体より狭い部分を隆起させている（または厚くする）。

セパレータは、様々な材料（ポリオレフィン、ゴム、フェノールホルムアルデヒドレソルシノール、ガラスマット、微孔質ＰＶＣ、焼結ＰＶＣなど）で構成することができる。様々な実施形態において、セパレータは、少なくとも一部は、高分子量ポリオレフィンからなる微孔質バックウェブで構成される。使用され得るポリオレフィンの例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、エチレンプロピレン共重合体、エチレンブテン共重合体、プロピレンブテン共重合体、エチレンプロピレンブテン共重合体などが含まれる。

また、様々な実施形態において、セパレータは、少なくとも１つの可塑剤も含む。可塑剤は、水溶性のものでも、非水溶性のものでもよい。使用され得る可塑剤の例には、有機酸エステル、エポキシ化合物、リン酸エステル、炭化水素材料、低分子量重合体などが含まれる。

また、様々な実施形態において、セパレータは、不活性充てん材料からも構成される。充てん剤は、水溶性のものでも、非水溶性のものでもよい。しかし、充てん剤は、任意の可塑剤を吸収し、化合物中に保持するための主要な手段を提供することもでき、可塑剤に溶けるものとすべきではない。好ましい充てん剤は乾燥微粉シリカである。しかし、他の充てん剤（カーボンブラック、炭じん、黒鉛、金属酸化物および金属水酸化物、金属炭酸塩、鉱物、ゼオライト、沈降金属ケイ酸塩、アルミナシリカゲル、木粉、木繊維、および樹皮製品、ガラス粒子、硫酸バリウムなどの塩、無機塩類、アセテート、硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩、炭酸塩、および／またはこれらの組み合わせなど）が利用されてもよい。また、充てん剤の湿潤性を向上させるために、任意の既知の、または今後開発される湿潤剤（アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム、スルホコハク酸ジオクチルナトリウム、イソオクチル（ｉｓｏｃｔｙｌ）フェニルポリエトキシエタノールなど）が利用されてもよいことも理解されたい。

様々な実施形態において、セパレータは、安定剤または酸化防止剤を含む。様々な実施形態において、４，４’−チオビス（６−ｔｅｒｔ−ブチル−ｍ−クレゾール）（「Ｓａｎｔｏｎｏｘ」（登録商標））や、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−メチルフェノール（「Ｉｏｎｏｌ」（登録商標））といった従来の安定剤または酸化防止剤が利用されることができる。

セパレータに１本以上のリブが設けられるとき、リブは、いくつかの既知の、または今後開発される高分子組成物（セパレータと同じ組成物、他のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、および／またはこれらの充てんもしくは発泡組成物など）から形成されることができる。リブは、何通りものやり方で設けられることができる。例えば、リブは、（バックウェブシートと一体または別個に）押出しによって形成されることができる。またリブは、溝切りや型付けによって形成されることができる。リブが別個に成形されるとき、リブは、ヒートシールや接着剤によるものを含む当分野で既知の何通りもの方法によって、バックウェブシートまたはベースウェブに接合又は何らか方法で結合されることができる。

セパレータの厚さは、セパレータが使用される電池の種類に応じて変化する。一般に、バックウェブまたはベースウェブの厚さは、１から５０ミリインチ（「ミル」）（０．０２５４から１．２７ｍｍ）までの範囲とすることができる。鉛蓄電池では、好ましい厚さ範囲は、通常、１０から４０ミル（０．２５４から１．０１６ｍｍ）である。各リブの高さは、極板間隔要件に応じて広範囲に変化し得る。一般には、ベースからの高さが５から２００ミル（０．１２７から５．０８ｍｍ）までのリブが設けられ、好ましい範囲は１０から１００ミル（０．２５４から２．５４ｍｍ）までである。

様々な材料間の電気化学ポテンシャルを使用して電気を発生させる様々な化学反応が研究され、商業的に実施されている。一般には、どちらも参照により本明細書に組み込まれる、「Besenhard, J. O., Ed., Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany, 1999」、および「Linden, D., Ed., Handbook of Batteries, Second Edition, McGraw Hill Inc., New York, N.Y., 199」を参照されたい。

鉛蓄電池用の極板は、従来、活物質またはペーストを、鉛合金格子といった導電性支持体に塗布することによって製造される。極板は、極板を製造する方法に従って分類することができる。例えば、極板を製造する一工程は、炉において熱い鉛を溶融する初期ステップと、続いて、溶融鉛合金をストリップ鋳造機に供給するステップとを含む。ストリップエキスパンド工程において、鋳造または鍛造された鉛ストリップは、通常、穿孔され、ストリップ面の上と下とで引き伸ばされ、次いで、引っ張られるかまたは展開されて、ひし形パターンを有する格子が形成される。様々な実施形態において、ストリップは、巻取機に巻き取られ、鉛合金ストリップコイルが後で使用するために貯蔵される。また、様々な実施形態において、ストリップは、圧延されることができる。電池格子を形成するために、様々な実施形態において、ストリップは、ストリップコイルを切断し、それに切れ目を入れ、引き伸ばして格子を形成するエキスパンダに供給される。

格子は、他の既知の、または今後開発される工程を使用して製造されてもよい。例えば、前述のように基板は、（溶融合金を鋳型に注入するなどによる）鋳造工程や、打抜き工程や、連続圧延によって形成されてもよい。格子または極板の製造時において、格子ワイヤは、（ペーストの付着性を改善するなどのために）再仕上げされ、再整形されてもよい。

次いで、エキスパンド加工済ストリップまたはワイヤ格子に活物質またはペーストが塗布されるかまたは他の方法で施される（従来のペースタ（ｐａｓｔｅｒ）によってペーストされるなど）。様々な実施形態においては、活物質の片面または両面に１つ以上のペースト材料またはペースト紙が施される。様々な実施形態において、ペースト材料または紙は、連続工程として施されることができる。

様々な実施形態において、格子、活物質、およびペースト材料または紙は、ストリップを切断して極板にする分割機に供給される。ストリップから切り出された極板は、ペーストの不均一な部分を伸ばすように平坦化され、あるいは別の修正が施されてもよい。様々な実施形態において、極板は、（コンベア上などで）フラッシュ乾燥用の乾燥器（炉）を通り、次いで、後で使用するために積み重ねられることができる。従来、フラッシュ乾燥は、約２６０°Ｃ（約５００°Ｆ）の従来の送風乾燥器内での極板の１０〜１５秒間の乾燥など、ガス直火または乾燥器を使用して行われ得る。乾燥の後、極板には、当業者に周知の化学処理が施される。ペーストが施された極板は、次に通常、遊離した鉛を酸化させ、極板の結晶構造にその他の調整を加えるために、高温高湿下で長時間にわたって硬化させる。

従来のポリオレフィン電池セパレータは、通常、高分子量ポリオレフィン、不活性充てん材料、および／または可塑剤の組成物を混合するステップと、組成物をシート形状に形成するステップと、続いて、溶剤を使用してバックウェブシートから不活性充てん剤および／または可塑剤の一部分を抽出するステップと、を含む工程によって製造される。

硬化の後、極板は電池に組み立てられる。個々の極板の組が組み立てられ、包まれ、セパレータ材料が差し込まれるかまたはセパレータ材料を用いて別の方法で隔てられ、合わさって極板セットが形成され得る。例えば、１つの一般的な電池設計では、電池セット中の１枚おきの極板（各負極板など）が、エンベロープ形状の電池セパレータに挿入される。エンベロープは、エンベロープ内の極板と電池セット内の隣接する極板との間のセパレータとして働く。極板セットは、電池を形成するように容器内で組み立てられる。

組立時には、極板の正の耳が連結され、極板の負の耳が連結される。これは、通常、組み立てられた電池スタックを取り、それらの電池スタックを反転させ、耳を鋳型に入れた溶融鉛に浸漬することによって形成されるキャストオンストラップを使用して実現される。電池全体に電流を流すために、各スタックのキャストオンストラップは、接合または結合される。さらに、電池電力の使用を必要とし、または電池電力の使用が意図される輸送手段の電気系統またはその他のシステムとの電気接触を可能にするために、カバーまたはケーシングを貫通して延出する端子電極も設けられる。

様々な実施形態においては、電池セルを収容する、カバー１１１を含む電池ハウジング１１０が設けられている。様々な実施形態において、電池ハウジング１１０は、電池カバー１１１内の注液管穴を通して電池ハウジング１１０を電解質流体で満たすために、酸性電解質流体に浸漬される。電池ハウジング１１０を電解質流体で満たした後、電池１００は電解質流体から取り出される。残留電解質流体被膜、ほこり、その他の細片があれば、電池を出荷に備えるために洗い流されることができる。電池ハウジングの外面を洗浄する前に、注液管穴は、洗浄用流体が電池ハウジングに流入するのを防ぐために栓でふさがれることができる。

様々な実施形態において、１枚のセパレータ１２０は、図５に示すように、電極板１０１または１０２の周りに折り畳まれることができる。いくつかの例示的実施形態においては、セパレータの１つまたは複数の位置合わせされた縁部が、電極板を挿入し、かつ／または封入するための、そこからタブまたは耳が突き出たセパレータ材料のエンベロープを形成するように接合されることができる。かかる実施形態においては、正の電極板と負の電極板の一方または他方がセパレータ材料内に入れられ、他方が各エンベロープの間に配置されて、図２で例示するのと同様のパターンが生成される。

セパレータは、様々な既知または今後開発される方法（押出しなど）において製造されることができる。様々な実施形態において、セパレータは、ポリエチレンといった重合体とオイルの混合物を押し出すことによって製造される。混合物が押し出された後、オイルは抽出されてセパレータ全体にミクロ細孔が残り、これによりセパレータに電解液を透過させることが可能になる。様々な実施形態において、セパレータは、連続工程において製造され、圧延されて、貯蔵および取扱いの容易な大型コイルとなる。

一般には、電池セパレータの厚さを増加させると、電池のコールドクランク性能が減少すると考えられている。しかし、それは開示のセパレータを使用した電池には当てはまらない。図８の実施形態による微孔質ポリエチレンセパレータを試験した。試験したセパレータのバックウェブは厚さ０．００６インチ（０．１５ｍｍ）であった。このセパレータは、その長手に沿って通る１７本のリブを有する幅６．４００インチのものであった。各リブは、高さ０．０２９インチ（０．７４ｍｍ）（セパレータバックウェブ厚を含まず）であり、ピーク幅において、幅約０．０１５インチ（０．３８ｍｍ）であった。各リブは、（リブ中心から測定して）約０．３１３インチ（７．９４ｍｍ）間隔で配置された。セパレータ肩部は、（セパレータの縁部から最も近いリブの中心まで測定して）幅０．７００インチ（１７．７８ｍｍ）であった。肩部の隆起部分は、幅０．３６０インチ（９．１４ｍｍ）であり、厚さ０．０１１インチ（０．２８ｍｍ）（セパレータバックウェブの厚さを含む）であった。隆起部分は、最も近いリブの中心から０．１２０インチ（３．０５ｍｍ）、縁部から０．２２０インチ（５．５９ｍｍ）のところに位置する。

図９は、標準セパレータを有する電池のコールドクランク性能を追跡した確率プロットである。図１０は、一例示的実施形態によるセパレータを有する電池のコールドクランク性能を追跡した確率プロットである。図１１は、図９と図１０に示す電池のコールドクランク性能を比較したボックスプロットである。実験データは、開示のセパレータの使用が、コールドクランク性能に対して統計的に有意な影響を及ぼさなかったことを示している。これらの試験は、このセパレータの使用がコールドクランク性能に対して統計的に有意な影響を及ぼさないことを示した。

また、好ましい例示的実施形態および他の例示的実施形態において示すセパレータの要素の構成および配置は例示にすぎないことに留意することも重要である。本開示では、本発明のほんの数例の実施形態だけを詳細に説明しているが、本開示を考察する当業者は、記載の主題の新規の教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの改変（例えば、サイズ、寸法、構造、形状、および様々な要素の比率、パラメータの値、取付け配置、材料の使用法、色、向きなどの変更）が可能であることを容易に理解するであろう。例えば、一体形成されるものとして示した要素は複数の部分から構成されることができ、複数の部分として示した要素は一体形成されることができ、境界部の動作が反転されたり、別様に変更されたりすることができ、システムの構造および／または部材またはコネクタまたはその他の要素の長さまたは幅が変更されてもよく、要素間に設けられる調整位置の性質または数が（例えば、係合スロットの数または係合スロットのサイズまたは係合の種類の変更などによって）変更されることができる。システムの要素および／または部品は、多種多様な色、テクスチャ、および組み合わせのいずれから構成されてもよいことに留意されたい。したがって、かかるすべての改変は本発明の範囲内に該当すべきものである。好ましい例示的実施形態およびその他の例示的実施形態の設計、動作条件、および配置においては、本発明の趣旨から逸脱することなく、他の置換、改変、変更、または省略が行われることができる。

Claims (37)

1. バックウェブ厚さを有するセパレータ材料のバックウェブと、
   第１の距離だけ前記バックウェブ厚さ外に突出している少なくとも１本の大リブと、
   第２の距離だけ前記バックウェブ厚さ外に突出している少なくとも１本の中リブと、
   を備え、
   前記第１の距離が前記第２の距離より大きく、
   前記大リブおよび前記中リブがほぼ等間隔で配置されている、
   電池セパレータ。
2. ２本の大リブの間ごとに３本の中リブがある請求項１に記載の電池セパレータ。
3. 前記第２の距離は約０．４５ｍｍから約０．６０ｍｍまでである請求項１または２に記載の電池セパレータ。
4. 前記第１の距離は約０．６０ｍｍから約１．９０ｍｍまでである請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
5. 奇数本の大リブがある請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
6. ７本の大リブがある請求項５に記載の電池セパレータ。
7. １本の大リブがセパレータのほぼ中央を通る請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
8. 改良型肩部小リブを有する少なくとも１つの肩部をさらに備える請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
9. 少なくとも１本の中リブを有する少なくとも１つの肩部をさらに備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
10. 前記肩部小リブは前記バックウェブ厚さ外に約０．１５ｍｍ突出している請求項８または９に記載の電池セパレータ。
11. 前記バックウェブ厚さ外に突出している部分と、セパレータの縁部に隣接する前記バックウェブ厚さ外に突出していない部分とを有する少なくとも１つの肩部をさらに備える請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
12. 複数のほぼ等間隔で配置されたリブを有するセパレータ材料のバックウェブと、
    肩部小ラブを有する肩部と、
    各肩部上の中リブと
    を備える電池セパレータ。
13. 前記リブは大リブと中リブとをさらに備える請求項１２に記載の電池セパレータ。
14. 前記中リブは高さ約０．４５ｍｍから約０．６０ｍｍまでである請求項１２または１３に記載の電池セパレータ。
15. 前記肩部小リブは高さ約０．１５ｍｍである請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
16. 前記第１の距離は約０．６０ｍｍから約１．９０ｍｍまでである請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
17. 奇数本のリブがある請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
18. １本の大リブがセパレータのほぼ中央を通る請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の電池セパレータ。
19. 少なくとも１つのアノードと、
    少なくとも１つのカソードと、
    少なくとも１つのセパレータと、
    を備え、
    前記セパレータは、大リブと中リブとを有するセパレータ材料のバックウェブを備え、
    前記リブはほぼ等間隔で配置されている、
    電池。
20. 大リブの間に３本の中リブがある請求項１９に記載の電池。
21. 奇数の大リブがある請求項１９または２０に記載の電池。
22. ７本の大リブがある請求項２１に記載の電池。
23. 前記中リブは高さ約０．４５ｍｍから約０．６０ｍｍまでである請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の電池。
24. 前記第１の距離は約０．６０ｍｍから約１．９０ｍｍまでである請求項１９〜２３のいずれか１項に記載の電池。
25. １本の大リブが前記セパレータのほぼ中央を通る請求項１９〜２４のいずれか１項に記載の電池。
26. 改良型肩部小リブを有する肩部をさらに備える請求項１９〜２５のいずれか１項に記載の電池。
27. 中リブを有する肩部をさらに備える請求項１９〜２６のいずれか１項に記載の電池。
28. 前記肩部小リブは高さ約０．１５ｍｍである請求項２６または２７に記載の電池。
29. 前記バックウェブ厚さ外に突出している部分と、前記セパレータの縁部に隣接する前記バックウェブ厚さ外に突出していない部分とを有する少なくとも１つの肩部をさらに備える請求項１９〜２６のいずれか１項に記載の電池。
30. 少なくとも１つのアノードと、
    少なくとも１つのカソードと、
    少なくとも１つのセパレータと、
    を備え、
    前記セパレータは、
    複数のほぼ等間隔で配置されたリブを有するセパレータ材料のバックウェブと、
    肩部小ラブを有する肩部と、
    各肩部上の中リブと、
    を備える
    電池。
31. 前記リブは大リブと中リブとをさらに備える請求項３０に記載の電池。
32. 前記中リブは高さ約０．４５ｍｍから約０．６０ｍｍまでである請求項３０または３１に記載の電池。
33. 前記肩部小リブは高さ約０．１５ｍｍである請求項３０〜３２のいずれか１項に記載の電池。
34. 前記第１の距離は約０．６０ｍｍから約１．９０ｍｍまでである請求項３０〜３３のいずれか１項に記載の電池。
35. 奇数本のリブがある請求項３０〜３４のいずれか１項に記載の電池。
36. １本の大リブが前記セパレータのほぼ中央を通る請求項３０〜３５のいずれか１項に記載の電池。
37. 異なるサイズの電池セパレータを製造する方法であって、中央リブを含む奇数本のリブを有するセパレータ材料のバックウェブを形成するステップを含み、前記セパレータは中央リブに関して対称であり、前記中央リブの両側面までのリブの間隔は、セパレータサイズにかかわらずすべてのセパレータについて同じである、方法。

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