JP2013539178A - 低アスペクト比螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池バッテリー - Google Patents

Abstract

複数の、スタックされ相互接続された螺旋巻きセルを有する制御弁式鉛蓄電池（ＶＲＬＡ）バッテリー。各セルは直径（Ｄ）より短い長さ（Ｌ）を有し、そして各セルは、螺旋巻きされた正及び負極板と該極板間のセパレーターと、酸性電解液と、隣接セルとの直列電気接続用に該ケースを通るよう配置された正極及び負極と、を有する非導電性ケースを備える。
【選択図】 図１

Description

本開示は自動車用バッテリーに関し、特に制御弁式鉛蓄電池（ＶＲＬＡ）バッテリーと、セル及びバッテリーの性能を改良する構造技術と、に関する。

自動車産業は、ハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）のような応用数の拡大のために、高電圧、高電力、低コスト、長寿命及びリサイクル可能性を与えるバッテリー技術を必要としている。制御弁式鉛蓄電池（ＶＲＬＡ）バッテリー技術は、低コスト、充分な電力及びリサイクル可能性を求める多くの要求を充し、又は乗り越え、最近は高率の充電サイクルの部分的状態の項目で寿命要求を充たすことが示された。これらの積極的属性にも拘わらず、特にハイブリッド電気車両で使用するために、エネルギー密度、形、機能、適合性及び熱管理を改善する制御弁式鉛蓄電池技術の改良が求められている。

使用されている１つの種類の制御弁式鉛蓄電池バッテリー技術は螺旋巻きセル技術である。螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルは典型的に従来の鉛蓄電池バッテリーよりコンパクトであり、非常な高い電力と長いサイクル寿命を提供する。典型的にこの様なセルは間隔を隔てた、グリッド状構造を有する正及び負極板を備える。

螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池バッテリー用の細長いグリッド構造は正又は負の極板を形成する活物質で満たされる。該正及び負極板の間には薄い多孔質の吸収性ガラスマット（ＡＧＭ）セパレーターが挟まれている。該極板−セパレーター組立体は、該正負極板及び該極板間のセパレーターを有するコンパクトで堅固な円柱形に捲かれる。該セパレーターは該極板を相互から電気的に分離し、そして該セルの電解液（硫酸の水性溶液）を該極板間に保持し、該液を該セルの作動範囲内に均一に分布させるのに効果的なウィック（ｗｉｃｋ）又は吸収材としても機能する。該薄く、高度に多孔質のセパレーターはまた、該正負極板間のイオン通路を短く保ち、電解液の急激な拡散を可能にする。かくして、該極板とセパレーターの狭い間隔の構造は全て、セルの高率放電の能力に寄与する。

該典型的な螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルはまた、一般的に、該セル内のガスの形成を最小化しながら、バッテリー寿命と性能を最適化するために充分な、予め決定された正極対負極活物質比を有する。もし過剰な又は望ましくないガスが発生した場合、セル内の内部圧力を開放するために、再シール可能な通気孔が該制御弁式鉛蓄電池セル用に提供される。

複数の制御弁式鉛蓄電池セルで作られた従来の螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池バッテリーの１つの欠点は望ましい電圧を有するバッテリーを得るための空間の要求である。該制御弁式鉛蓄電池バッテリーは、Ｌ＞Ｄである、長さ（Ｌ）対直径（Ｄ）の高いアスペクト比を典型的に有するセルから成る。この様な制御弁式鉛蓄電池セルは並ぶよう位置付けられ、次いで必要なバッテリー又はシステムの電圧を得るために小さな線と電気的クリップで直列に接続される傾向がある。

より大きな螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池シングルセル（ｓｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌｓ）（＞５アンペアアワー）とマルチセルバッテリーが補助電源（ＵＰＳ）応用のために作られ、ジュース缶又はスープの缶に似た誂えセルサイズで販売される。シングルセルは３個，６個又はもっと大きいグループ内で使われ、該小さいセルと同様な仕方で並べて位置付けられ、電気接続される。マルチセルのモノブロックのバッテリーとして作られる時、これらのモノブロックバッテリーは、並べて位置付けられたセルを有する２，３又は４セルのパ
ッケージとなる傾向がある。これらのモノブロックバッテリー内のセルからセルの接続は内部的行われ、それはバッテリー“フットプリント”すなわちバッテリー用平面的空間要求、を最小化する企てからである。

螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池技術はまた、始動、点灯及び点火（ＳＬＩ）への応用のために、自動車バッテリー産業に導入されて来た。この様なバッテリーは“６パック”のビール又はソーダ水に似ており、自動車用及び舶用への応用で適当なクランク用電力、長寿命及び適当な性能を有する。上記説明の小さな螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池バッテリーに於ける様に、該螺旋巻きＳＬＩバッテリーは高いアスペクト比のセルを使う。これらのバッテリーがキャストオンターミナル（ｃａｓｔ−ｏｎ−ｔｅｒｍｉｎａｌ）のセル間（ｉｎｔｅｒ−ｃｅｌｌ）接続を有する誂えの６キャビティコンテナー内に作られる事実にも拘わらず、これらのバッテリーはコンパクトでないのが典型的で、高電圧ＨＥＶ応用のためには容易には相互に接続されない。

種々の応用と設計にも拘わらず、従来の螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルは全て、それらの形状に関連した同じ共通の特徴を有し、すなわち、全ての螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池バッテリーはＬ＞Ｄの高いアスペクト比を有する。従って、相互の頂部上にスタック（ｓｔａｃｋｅｄ）されるより、側と側を並べて置かれる場合に、従来の制御弁式鉛蓄電池バッテリーはより良く機能する傾向がある。制御弁式鉛蓄電池バッテリー用の電気的端子は該セルの頂部から突出する傾向があり、それにより高アスペクト比セルをスタックする能力を更に制限する。高アスペクト比バッテリーはまた、Ｌ方向に背高のグリッドを有し、該グリッドはＨＥＶの様な高電力を要する応用では、より高い抵抗値と、より大きい電圧損失に帰着する。複数の内部タブを使用することにより、これらのセルの高率性能を改善する試みが行われて来たが、しかしながらこの様な試みは限定された成功しか納めて来ていない。配線作業と長いセル間接続との必要性のために、従来の制御弁式鉛蓄電池セル又はモジュールで、ＨＥＶ応用に必要なバッテリーの様な比較的高い電圧のバッテリー（〜２００ボルト）を組み立てることは難しかった。従って、螺旋巻きセル技術を充分利用する能力を有する高電圧応用のための制御弁式鉛蓄電池セル設計の必要性がある。

前記及び他の必要性を考慮して、本開示の実施例は複数の、スタックされ相互接続された螺旋巻きセルを有する制御弁式鉛蓄電池（ＶＲＬＡ）バッテリーを提供する。各セルは直径（Ｄ）より短い長さ（Ｌ）を有し、各セルは、螺旋巻きの正負極板、該極板間セパレーター、酸性電解液を有する非導電性ケースであり、直列の隣接セルへの電気接続用に該ケースを通るよう配置された正極（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｐｏｓｔ）及び負極（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｏｓｔ）を更に有する該ケースを備える。

本開示のもう１つの実施例はバッテリー用の制御弁式鉛蓄電池（ＶＲＬＡ）エネルギー蓄積セル（ｓｔｏｒａｇｅ ｃｅｌｌ）を提供する。該エネルギー蓄積セルは非導電性ケース、該ケース内に配置され螺旋巻きされた正負極板及び該極板間のセパレーターを有する。エネルギー移動用液体電解液が該極板間に配置される。該正及び負の極板は複数のタブを有する。正のストラップ（ｓｔｒａｐ）及び極（ｐｏｓｔ）が該正のタブ（ｔａｂｓ）に接続され、負のストラップ及び極が該負のタブに取り付けられる。該正及び負の極は該ケースの非導電性カバーを通るよう配置される。端子がセル間接続部として役立つように露出した極端部に取り付けられる。該エネルギー蓄積セルは直径（Ｄ）より短い長さ（Ｌ）を有する。

前記制御弁式鉛蓄電池セル及びバッテリーの利点は、該セルの低アスペクト比（Ｌ＜Ｄ）の性質により、セルをスタックすることが可能になることである。これにより、従来の螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルに於けるより少ないスペースで複数のセルが相互接続され
る。

低スペクト比、すなわちＬ＜Ｄを有する螺旋巻きセルの第２の利点は、セルがＬ方向に短いグリッドを有しており、かくして該セルの１端から該セルの反対端までの低い電気抵抗のために改良されたセル性能を示すことである。また、セルの長さより大きい直径を有することにより、より多くのタブがセルの直径を横切って使用されてもよく、それによりセル相互接続用のセル抵抗値を更に減じる。高さより大きい直径を有するセルは、セルの末端間のスタッキング用の大きい面積の故に、より安定したスタッキング配置を提供する。

比較的大きな直径の螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セル用に、トロイダルの又は開いたコアの、設計を有するセルは、空気、水そして熱伝導流体の様な、種々の冷却用媒体を使ってセルのより均一な冷却を提供する。対照的に、従来のＳＬＩバッテリーは設計が角柱状であり、かくして均一なセル冷却用には非常に僅かな可能性しか提供しない。

本開示の実施例の更に進んだ便益と利点は、添付する図面と連携する例示用実施例の下記の詳細な説明から明らかになるものであり、該図面では類似番号が類似特徴部を表す。
本開示の実施例の低アスペクト比螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルのスタックの、尺度合わせされない、幾分略図化された斜視図である。 従来の螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルの、構造的特徴の尺度合わせされない斜視図である。 本開示による低アスペクト比螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルの構造的特徴の尺度合わせされない斜視図である。 本開示による低アスペクト比螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルの尺度合わせされない斜視図である。 本開示による制御弁式鉛蓄電池セル用の、種々のストラップ及び極の構造の尺度合わせされない平面図である。 本開示による制御弁式鉛蓄電池セル用のシェル表面冷却用特徴部の尺度合わせされない斜視図である。 本開示の実施例によるスタックされた低アスペクト比螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルの配列を有するチューブ状バッテリーの尺度合わせされない斜視図である。 本開示の実施例によるスタックされた低アスペクト比螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルの配列を有する長方形バッテリーの尺度合わせされない斜視図である。 本開示の実施例による螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池セルをスタックするための連結装置を有する制御弁式鉛蓄電池セルの尺度合わせされない斜視図である。

本開示の実施例の特徴を図解するために、ここで、図１を参照すると、制御弁式鉛蓄電池（ＶＲＬＡ）エネルギーセル１２Ａ−１２Ｅのスタック１０が図解されている。各エネルギーセル１２Ａ−１２Ｅは、隣接エネルギーセルとの相互接続用の正端子１６及び負端
子１８を有する。例えば、エネルギーセル１２Ｂはセル１２Ｃ及びセル１２Ａと直列に相互接続される。同様に、セル１２Ｃはセル１２Ｄ及びセル１２Ｂと直列に相互接続される。セル１２Ｄはセル１２Ｅと相互接続される。各セル１２Ａ−１２Ｅは同様であるので、セル１２Ａの詳細説明は該スタック１０内の他のセル１２Ｂ−１２Ｅの各々に適用される。エネルギーセル１２Ａは該セルから大気への欲しない又は望ましくないガスの開放用の再シール可能な安全弁１４を有する。

本開示の制御弁式鉛蓄電池セル１２Ａの重要な特徴は各セル１２Ａの長さ（Ｌ）が各セルの直径（Ｄ）より小さく、それによりセル１２Ａに、ここで“低アスペクト比”と呼ばれるものを提供することである。該低アスペクト比制御弁式鉛蓄電池エネルギーセル１２Ａは、小さいサイズと重さを有しながら高電圧動作と最大電力を提供するために、効率的なスタッキング用に設計されている。その結果、セル１２ＡのＬ／Ｄ比は、ここで説明されるセル性能利点用の上限となる約０．９９である。セル１２Ａ用の実用的に最小のＬ／Ｄ比は適切には約０．０８であり、該値は１捲きから１捲きの安定性を保持しながら極板及びセパレーターのコイルを捲く能力により制限される。約０．８から約０．１まで、又は０．６から約０．４まで、に及ぶＬ／Ｄ比も望ましい。

低アスペクト比セル１２ＡはＬ方向に短いグリッドを有する追加の利点を提供するが、それは該短いグリッドは該セルの１端から該セルの反対端までの低い電気抵抗を有するからである。比較目的で、従来の制御弁式鉛蓄電池セル２０が図２で示される。セル２０は１より大きいＬ／Ｄ比を有し、すなわちＬはＤより大きい。その結果、従来の制御弁式鉛蓄電池セル２０のグリッド２２は１端２４から遠位の端部２６までの長さＬを有し、該長さは図３に示す本開示の制御弁式鉛蓄電池セル１２のグリッド２８の長さＬに比べて比較的に長い。低アスペクト比制御弁式鉛蓄電池セル１２の長さより大きい直径のために、セル設計者は、図２に示す従来の制御弁式鉛蓄電池セル２０上に含まれるより多くのタブ３０及び３２を含むことが出来る。より多いタブ３０及び３２はより低い電気抵抗によりセル性能を改良するよう作用する。

上記表明の様に、セルスタッキングの概念はまた、低アスペクト比セル１２により良く適合する。補助電源（ＵＰＳ）及びＳＬＩ工業用に製造されるセルの様な従来の高アスペクト比セル２０は典型的に余りに大きい長さＬを有するので、コンパクトな高電圧用のスタッキング又は効率的相互接続を実現出来ず、セル上にセルをスタックするための実質的に安定なベース３４を提供しない。本開示のスタック可能な低アスペクト比制御弁式鉛蓄電池セル１２Ａは、図１に示す様にコンパクトで、安定で、連結した、セルとセルのスタック１０を提供する。

本開示の制御弁式鉛蓄電池エネルギーセル１２の各々は望ましくは螺旋巻きセル１２であるのがよい。“螺旋巻き”により正極板、負極板及び該極板２８間のセパレーター（複数を含む）が中心コア３６の周りの螺旋形で捲かれることを意味する。該極板２８は純鉛、鉛−スズ合金、鉛−スズ−カルシウム合金、銅等を含む種々の材料製であってもよい。

図４を参照すると、螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池エネルギーセル１２の更に進んだ詳細が図解される。該制御弁式鉛蓄電池セル１２は隣接セル１２との相互接続用の正端子１６及び負端子１８を有する非導電性外側シェル３８を備えており、該両端子は該シェル３８上に配置されている。螺旋巻きの極板及びセパレーター（複数を含む）は比較的大きな中心コア３６の周りに捲かれてもよい。該中心コア３６は開いているか又は閉じていてもよい。開いていても或いは閉じていても、該比較的大きな中心コア３６は、螺旋巻き用のより安定した構造を提供し、かくして該セルを通してより均一な極板からセパレーターへの接触及び圧縮をもたらす追加の利点を有する。開いたコア３６が冷却用に使われてもよい。該コアはカバー３９を通る開口部であり、それにより図４に示す様に該セル１２にトロイ
ダルの形状を提供する。

導電性シェル内に該極板、セパレーター及び電解液をシールするためにガスケットで折り重ね圧着される（ｃｒｉｍｐｅｄ）金属ケースは、本開示による制御弁式鉛蓄電池エネルギーセル１２に依って特に回避される。例えば、トロイダルの（ドーナッツ形の）アルカリ電池（セル及びバッテリー）は２枚の金属の導電性ドーナッツ形半ケースを使うが、該半ケースは該セルを形成するために電気的に分離された２枚のガスケットではめ合わされる。しかしながら、該半ケースはまた、圧着され、該中心孔の周囲付近でシールされねばならない。該２重のクリンプシール（１つは外径、１つは内径で）は製造環境で実施するにはコスト高で、難しく、それによりこの様なセル設計の商業化を抑制する。

この様なセルは設計がボタン又はコイン型セルと同様であり、そこではバッテリーセルの頂面全体が正電極の金属電極端子であり、該セルの底面全体が負電極の金属電極端子である。セルのバッテリーを提供するこの様なセルのセル間接続性は、半ケースが金属であり、頂部と底部が反対極性である事実により容易化される。しかしながら、この様な金属上金属のケース設計は、金属ケース材料と両立しない鉛蓄電池バッテリー化学に容易に適合しない。

同様に、リチウムイオンセルは、冷却を要する温度で運転する傾向がある低導電性電解質の使用の性質の故に、冷却を容易にするためにスルーホール（ｔｈｒｏｕｇｈ ｈｏｌｅｓ）付きで設計される。１つの従来技術のリチウムイオンセルに於いて、機能的バッテリー設計及びバッテリー性能を保証するために５部分の圧着された（ｃｒｉｍｐｅｄ）金属構造体が使用される。

非水性の、時にはゲル化した電解質を使用するボタン型エネルギーセル及びリチウムイオンセルと異なり、セル１２の高度に腐食性の酸環境の故に、導電性のシェル、カバー及びガスケットは制御弁式鉛蓄電池セル１２ではオプションではない。従って、本開示の制御弁式鉛蓄電池セル１２は、非導電性ケースを提供するために、ポリマー外側シェル３８とポリマーカバー３９を使う。この様なポリマーバッテリーケースはドーナッツ形半ケースの必要性と、金属又は導電性ケースを使う従来のボタン型の又はリチウムイオンのエネルギーセル用で使われる難しい圧着（ｃｒｉｍｐｉｎｇ）及びガスケット技術の必要性と、を取り除く。従って、本開示の低アスペクト比ポリマー制御弁式鉛蓄電池セル１２は、シェル３８と、該シェルにシールされるカバー３９と、を提供するための射出成形されたポリマー材料を特徴とする。該シェル３８及びカバー３９は、使用時又は再充電時に上昇した作動温度での動作に耐えるポリプロピレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン及びアクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の様な、種々のポリマー材料で作られてもよい。上記で表明した様に、非導電性ケースを使用する利点はセル１２がケース内で腐食性電解質材料を使ってもよいことである。

ポリマー材料の使用はまた、カバー３９が、電解液漏れを回避するために、該シェル３８を該カバー３９に対し有効にシールする能力の消失なしに中心コア又は中心開口部３６を有して設計されることを可能にする。該中心コア又は開口部３６は、螺旋巻き極板及びセパレーター（複数を含む）を含むシェル３８に対しカバーをシールするために、トロイダル形ケース（“バント（ｂｕｎｔ）”ケーキパンに似ている）に、その中心にコア又は開口部３６を有する略フラットな又は平面状で、ヒートシール可能なカバー３９を提供する。セル１２のバッテリーを提供するために、正及び負のグリッド極板２８の各セットは、タブ３０及び３２に接続された内部ストラップの使用により相互に相互接続されてもよい。該ストラップは、セルスタッキング（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋｉｎｇ）を容易化する金属端子を有するよう構成された突出した金属極に接続されてもよい。代わりの実施例では、該極板とセパレーターはポリマースプール（ｓｐｏｏｌ）上に捲かれ、ポリマーフープ
（ｈｏｏｐ）が該スプールの周りにヒートシールされてケースを提供してもよい。前記組立はパイプ接合シール用テープのスプールパッケージの組立に似ている。ヒートシール技術に適合しないケース材料については該カバーを該シェルにシールするために超音波溶接接着剤が使われてもよい。

図５Ａ−５Ｆは、本開示の制御弁式鉛蓄電池セル１２の正タブ３０及び負タブ３２を相互接続するために、該セル内で使われる種々のストラップ形状の図解を提供する。これらのストラップは最新技術のＣＯＳ（ｃａｓｔ−ｏｎ−ｓｔｒａｐ）機械を介して、又は“手動燃焼（ｈａｎｄ−ｂｕｒｎｉｎｇ）”の手動方法により、固定されてもよい。各形状では、該正ストラップ（複数を含む）４０は該負ストラップ（複数を含む）４２から隔てられ、該負ストラップと接触しない。ストラップが反対極板の頂部と接触しないことを保証するために、電解質に耐性のあるプラスチック又は他の非導電性材料の絶縁シートが、各ストラップと反対極板の頂部との間に置かれてもよい。該正ストラップ４０と負ストラップ４２はまた、該正及び負タブを、該セル１２のカバー３９を通過する正及び負極４４及び４６にそれぞれ相互接続するために役立つ。該カバー３９が位置的にシールされた後、該正端子１６及び負端子１８は次いでそれぞれ各極４４及び４６の頂部にはんだ付けされるか又は圧着される（ｃｒｉｍｐｅｄ）。

図６Ａ−６Ｃを参照すると、制御弁式鉛蓄電池セル１２用に使われるポリマー材料は、シェル３８の表面模様の使用が、空気又は冷却用流体を用いたセル１２の冷却を更に容易化することを可能にする。該表面模様は鱗５０（図６Ａ）、縞５２（図６Ｂ）又はフィン５４（図６Ｃ）又はセル１２の冷却を向上させる何等かの他の表面浮き彫り又は刻み目に似てもよい。

上記説明の様に、セル間端子接続は、図１に示す低アスペクト比制御弁式鉛蓄電池エネルギーセル１２の外部周囲上で、又は該制御弁式鉛蓄電池セル１２の外周と内側コア３６の間で、幾つかの方法で行われてもよい。この方法で、例えば、高電圧ＨＥＶバッテリーパック（〜１００ボルト）は、図７に示す様に冷却チューブ６２内に水平に並んで配置されたスタックされたセル１０製の幾つかの低アスペクト比バッテリー６０から成ってもよく、或いはバッテリー６４は図８に示す様に冷却ボックス６８内に水平に並んで配置されてもよい。チューブ配置６２又はボックス配置６８はその応用及び必要な適合（例えば、車両フードの下又は車両の乗客コンパートメントの床板の下）により選択されてもよい。スタック可能な制御弁式鉛蓄電池エネルギーセル１２の使用の故に、利用可能な多数の配置オプションに伴って、最適性能用に空気、水又は冷却媒体が各低アスペクト比制御弁式鉛蓄電池バッテリーの周り又は該バッテリーを通して循環されてもよい。水又は他の冷却媒体の使用は冷却チューブ６２又はボックス６８への流体チューブ又はダクトの付加を要する。

本開示のエネルギーセル１２のもう１つの特徴は、セル１２が連結するケース７０（図９）と、相対する端子１６及び１８又は４０及び４２と（図５Ａ−５Ｆに示す）、を有するよう設計されることである。連結するケース７０は、相対する電極１６及び１８（又は、図５Ａ−５Ｆに図解される電極）の確実な連結用に、タブロック用要素７２Ｂと連結されるタブロック用要素７２Ａを有する。該制御弁式鉛蓄電池エネルギーセル１２の確実なスタッキング用に、他の種類の連結装置又は特徴部がケース７０内に成形されるか、該ケースに取り付けられてもよい。

上記表明の様に、トロイダルケース設計３８の開いた中心コア３６（図４）はＨＥＶでの使用のために改良した熱的管理用に使われてもよい。ＨＥＶ応用では、例えばセル１２は４８ボルトバッテリーモジュールを形成するためにスタックされてもよい。該４８ボルトバッテリーモジュールは、水平又は垂直配置で、更にスタックされ、ラックされ（ｒａ
ｃｋｅｄ）、整合され、又は並んで位置付けられてもよい。該スタックされた配置全体は、該スタック又はモジュールを通る又はそれらの周りに、空気、又は水又は他の熱伝達流体の様な他の冷却媒体をポンプ送りすることにより容易に冷却されるか又は熱的に管理される。該バッテリースタック１０の向上した冷却は図６Ａ−６Ｃで示すシェル設計の１つ以上の使用により達成されてもよい。

開示した実施例の更に進んだ特徴は下記の限定しない例から明らかになる。

例１
低アスペクト比螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池バッテリーは、最初に従来の鉛−スズ−カルシウム合金で鋳造される正グリッドと、鉛−カルシウム合金で鋳造される負グリッド極板と、を用意することにより作られる。この例では、両グリッド極板は２．５４ｃｍの幅と、１００ｃｍの長さ、を有し、かくして片面約２５４ｃｍ^２の幾何学的面積を有する。該正グリッドは１．２ｍｍの厚さを有する一方、負グリッドは１．０ｍｍの厚さである。該正極板は、２４重量パーセントの鉛丹を含む従来のリサージベースの酸化物を使って１．４ｍｍの厚さまでペースト付けされる。負グリッドは、従来の負のエキスパンダー混合物（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｘｐａｎｄｅｒ ｍｉｘｔｕｒｅ）と、改良された高率の充電サイクルの部分的状態のための最新技術のグラファイト（２重量パーセント）及び活性炭（２重量パーセント）の添加物と、を含むペーストミックスを使い、従来の鉛蓄電池化物ペーストで１．２ｍｍの厚さまでペースト付けされる。該正及び負“極板”をペースト付けした直後に、該極板に、該極板間の吸収性ガラスマットバッテリーセパレーター（厚さ１．３ｍｍ）を間に挟みながら、該極板は４ｍｍマンドレルの周りに捲かれた。捲かれたセル内で該セパレーターを１．０ｍｍの厚さに圧縮するよう捲き張力が制御された。仕上がりの螺旋巻き“セル”は約７．０ｃｍの外径を有した。該捲かれたセルは直ちに８０℃の乾燥用オーブン内に２４時間置かれた。充分乾燥したセルは次いでキャストオンストラップと極（ｐｏｓｔ）を填められ、そして該螺旋巻き構造体は射出成形された円柱状ポリプロピレンケース内に挿入され、シールされた。

上記説明の様に、正及び負グリッドの各々は対応する正及び負ストラップへの電気接続用タブを有する。一旦該極板及びセパレーターがセルを形成するために捲かれると、ストラップが該タブ上へ鋳造（溶融鉛）され、該ストラップが全ての正タブを一緒に、そして全ての負タブを一緒に集める。該正及び負ストラップの各々は極を有し、該極はケースのカバーを通り抜け僅かに突出するよう設計されている。該カバーが位置的に該ケースにヒートシールされた後、極シールが該カバーで作られ、次いでセル間接続端子を提供するために、スズ鍍金された銅の正及び負端子が該極上にはんだ付けされる。次いで、該セル内に酸が注入され、最初の化成電流（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ）が印加される。該化成過程は約４８時間を要し、その後該セルは仕上げられ、テスト及び動作用に用意済みとなる。該セルのアスペクト比は約０．４である。

例２
冷却用に中心コアを有する低アスペクト比螺旋巻き制御弁式鉛蓄電池バッテリーは、鉛−スズ−カルシウム合金で鋳造される正及び負の両グリッドを最初に用意することにより作られる。この例では、両グリッドは２．５４ｃｍの幅と、１５３ｃｍの長さを有し、かくして片面約３９０ｃｍ^２の幾何学的面積を有する。正グリッドは１．２ｍｍの厚さを有し、一方負グリッドは１．０ｍｍの厚さを有する。該正極板は、２４重量パーセントの鉛丹を有する従来のリサージベースの酸化物を使って１．４ｍｍの厚さにペースト付けされる。負グリッドは、例１で使ったグラファイト及び活性炭の添加物無しで、従来の鉛蓄電池化物／エキスパンダーのペーストミックスを使って１．２ｍｍの厚さにペースト付けされる。該正及び負の“極板”をペース付けした直後に、該極板は、該極板に、吸収性ガラスマットバッテリーセパレーター（厚さ１．３ｍｍ）及びカーボンペーパー（厚さ０．０
０５ｍｍ）シート（０．５ｃｍ×１５３ｃｍ）を挟みながら、２５．４ｍｍマンドレルの周りに捲かれる。仕上がり低アスペクト比螺旋巻き“セル”は約８．９ｃｍの外径を有する。該仕上がったセルは直ちに８０℃の乾燥用オーブン内に２４時間置かれる。充分に乾燥されたセルは次いでキャストオンストラップと極をはめられ、そして該螺旋巻き構造体は、開いた中心コアを有する射出成形された円柱状のポリエチレンケース内に挿入され、シールされる。該ポリエチレンケースはまた、その両外部垂直面上にオレンジの表面と同様の“みかん肌”模様を帯びている。該セルは図５Ｄによる２つの正ストラップ及び２つの負ストラップ４０Ｄ及び４２Ｄを有するよう設計されている。

上記説明の様に、正及び負グリッドの各々は対応する正及び負ストラップへの電気接続用のタブを有する。一旦該極板及びセパレーターが捲かれセルを形成すると、ストラップが該タブ上へ鋳造（溶融鉛）され、該ストラップは全ての正タブを一緒に、そして全ての負タブを一緒に集める。正及び負のストラップの各々は極を有し、該極はケースのカバーを通り抜け僅かに突出するよう設計される。該カバーが位置付けられて該ケースにヒートシールされた後、極シールが該カバーで作られ、次いでセル間接続端子を提供するために、スズ鍍金された銅の正及び負の端子が該極上にはんだ付けされる。例１に於ける様に、酸が該セル内に注入され、初期化成電流が印加される。該化成過程は約４８時間を要し、そして該セルは仕上げられ、テスト及び動作用に用意済みとなる。該セルのアスペクト比は約０．３である。

低アスペクト比セル設計が高電力出力を供給する強い傾向を有することは同業者により評価されるであろう。組み合わされる低アスペクト比（短い）グリッドはセル内の抵抗損失を有意に減じ、図３及び図５Ａ−５Ｆで示す様な改良されたタブ及びストラップの設計と組み合わされた時、該セルはＨＥＶ応用のための更に進んだ電力の増加を有する。

低アスペクト比制御弁式鉛蓄電池セル１２で作られたバッテリーをより有効に冷却する能力は本開示実施例のもう１つの重要な特徴である。ＨＥＶ応用で遭遇する１つの問題は、従来のＳＬＩ及び制御弁式鉛蓄電池バッテリーの高率の充電サイクルの部分的状態により発生される傾向のある大量の熱を除去する必要性である。従来のＳＬＩバッテリーは設計が角柱形状であり、均一なセル冷却用には非常に小さな可能性しか提供しない。従来のＳＬＩバッテリーの２つの端部セルは常に中央のセルより冷えて運転するが、それは単に、該端部セルが内側の４つのセルより多い露出表面面積を有するからである。螺旋巻きＳＬＩバッテリーもまた、冷却では少しの改善しか与えないが、それはこれらの６つセルのモノブロックは密にパックされるからである。角柱状及び螺旋巻きの両バッテリー内に冷却チャンネルを設計する試みが行われたがこの様な試みは技術的に有効でなく、商業的に実行出来ない。シングルセルを冷却することはセルのバッテリーの冷却より遙かに容易である。しかしながら、開示実施例はこの様なバッテリーの冷却を向上させる。

本明細書及び請求項を通して使われる時、“１つの（ａ）”及び／又は“１つの（ａｎ）”は１つ又は１つより多くを呼ぶ。他の様に指定されない場合、本明細書及び請求項で使われる、材料の量、分子量の様な特性、パーセント、比、反応条件等を表現する全ての数は、全ての場合、用語“約（ａｂｏｕｔ）”により修飾されると理解されるべきである。従って、逆に指示されない場合、明細書及び請求項で表明される数値的パラメーターは、本発明により得られるよう探求された望ましい特性に依って変わってもよい近似である。少なくとも、そして等価物の教義の請求項の範囲への適用を限定する意図としてでないが、各数値パラメーターは、報告された有意のデジットの数に照らして、そして普通の丸め技術の適用により、少なくとも解釈されるべきである。本発明の広い範囲を述べる数値の範囲及びパラメーターは近似であるが、特定の例で述べる数値は出来るだけ精密に報告されている。しかしながら、何れの数値も本来それらのそれぞれのテスト測定値内に見出される標準偏差から必然的に生じる或る誤差を含んでいる。

本開示の他の実施例は、ここに開示された実施例の仕様及び慣行の考察から当業者には明らかであろう。従って、該実施例は上記で表明された特定の例示に限定するようには意図されてない。寧ろ、前記実施例は附属する請求項の精神と範囲内にあり、法の主題として、入手可能なその等価物を含むものである。

Claims (20)

1. 複数の、スタックされ相互接続された螺旋巻きセルを具備する制御弁式鉛蓄電池（ＶＲＬＡ）バッテリーであって、各セルが直径（Ｄ）より短い長さ（Ｌ）を備えており、そして各セルが、螺旋巻きされた正極板及び負極板と該極板間のセパレーターと、酸性電解液と、隣接セルへの直列の電気接続用に該ケースを通るよう配置された正極及び負極と、を有する該非導電性ケースを備える、該制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
2. 各セルが前記バッテリーの冷却及び熱管理用に開いたコアを有するトロイダルな形状を備える請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
3. 各セルが直列のセルからセルへの接続用にオフセットされ、相対するよう対抗する電気端子を備える請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
4. 前記正及び負の極板が正及び負のグリッドから成り、該グリッドが該正及び負のグリッドの各々用の３つ以上のタブを有する請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
5. 各セル用の前記ケースが、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン及びアクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）から成るグループから選択される材料を有する請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
6. 各セル用の前記ケースが、セルを隣接するセルと直列に電気接続して該隣接セルと連結させるために連結する特徴部を更に有する請求項５記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
7. 前記連結する特徴部が、前記セルが直列に電気接続してスタックされることを可能にする請求項６記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
8. 前記連結する特徴部が、前記セルが直列に電気接続して並んで位置付けられることを可能にする請求項６記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
9. 前記正極板が純鉛螺旋巻きグリッド、鉛−スズ螺旋巻きグリッド、鉛−スズ−カルシウム螺旋巻きグリッド及び鉛−スズ−カルシウム−銀螺旋巻きグリッドから成るグループから選択される請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
10. 前記負極板が銅螺旋巻きグリッドを有する請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
11. 前記非導電性ケースが鱗状特徴部、縞及びフィンから成るグループから選択される表面模様付けを有する請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
12. 前記スタックされたセルが並んだ構造で配置されたバッテリーに組み立てられる請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池バッテリー。
13. 制御弁式鉛蓄電池バッテリー用の制御弁式鉛蓄電池（ＶＲＬＡ）エネルギー蓄積セルであって、該エネルギー蓄積セルが、非導電性ケースと、該ケース内に配置され、螺旋巻きされた正及び負極板と該極板間のセパレーターと、該極板間のエネルギー伝達用液体電解液と、対応する正及び負極板に取り付けられた正及び負タブと、該正タブに結合される正のストラップ及び極と、そして該負のタブに取り付けられる負のストラップ及び極と、を具備しており、該正及び負の極は該カバーを通るよう配置され、正及び負の端子はセル間接続用にそれぞれの極に取り付けられており、そして該エネルギー蓄積セルが直径（Ｄ）
    より短い長さ（Ｌ）を有する該制御弁式鉛蓄電池エネルギー蓄積セル。
14. 前記セルが該セルの冷却及び熱管理用に開いたコアを有するトロイダルの形状を具備する請求項１３記載の制御弁式鉛蓄電池エネルギー蓄積セル。
15. 前記正及び負の極板の各々が対応する正及び負の電極への接続用に３つ以上の電気的タブを有する請求項１３記載の制御弁式鉛蓄電池エネルギー蓄積セル。
16. 前記ケースがポリプロピレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、及びアクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）から成るグループから選択される材料を有する請求項１３記載の制御弁式鉛蓄電池エネルギー蓄積セル。
17. 前記ケースが、セルを、該隣接セルと直列に電気接続して該隣接セルと連結させるために、連結する特徴部を更に有する請求項１３記載の制御弁式鉛蓄電池エネルギー蓄積セル。
18. 前記正極板が純鉛螺旋巻きグリッド、鉛−スズ螺旋巻きグリッド、鉛−スズ−カルシウム螺旋巻きグリッド、及び鉛−スズ−カルシウム−銀螺旋巻きグリッドから成るグループから選択される請求項１３記載の制御弁式鉛蓄電池エネルギー蓄積セル。
19. 前記負極板が銅螺旋巻きグリッドを有する請求項１３記載の制御弁式鉛蓄電池エネルギー蓄積セル。
20. 前記非導電性ケースが鱗状特徴部、縞、及びフィンから成るグループから選択される表面模様付けを有する請求項１３記載の制御弁式鉛蓄電池エネルギー蓄積セル。

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