JP2014530470A - ペースティング基板を有する電極を備えたフラデッド型鉛酸蓄電池 - Google Patents

Abstract

本発明に係るフラデッド型鉛酸蓄電池は、複数の正極板又は複数の負極板のうちのいずれかのそれぞれの少なくとも一側の表面の活性物質に埋め込まれるペースティング基板を含む。当該ペースティング基板は初期厚さを有する。当該ペースティング基板の容器内における圧縮厚さは、初期厚さよりも少なくとも１０〜２０％少ない厚さである。当該ペースティング基板は、繊維の混合物を含むものとすることができる。当該ペースティング基板は、ガラス繊維を含む不織布の基材とすることができる。その重量は、２３ｇ／ｍ２〜３１ｇ／ｍ２である。含有されるガラス繊維の量は、５０重量％よりも多い。【選択図】 図１

Description

本開示は、概して、電池の分野に関し、より具体的にはフラデッド型鉛酸蓄電池に関する。

鉛酸蓄電池の技術の向上が必要とされている点については、広く認識されている。改善された電池が必要とされる使用の例は、マイクロハイブリッド車（μＨＥＶ）のようなハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）において見受けられる。マイクロハイブリッド車は、当該車が停止するとエンジンが停止するように設計されている点において、従来型の車とは異なる。当該エンジンはその後、前記車が再び動き始める直前に再駆動される。そのため、鉛酸蓄電池は、前記車の電気負荷にサポートを提供するためにエンジンが停止されている間放電しなくてはならず、また前記車を再始動するために高効率で放電しなくてはならない。従来型の車においてはこのように放電することは一度で済むところ、マイクロハイブリッド車においては普通の遠出をする場合においても放電を何度もする必要が生じる。それ故に、鉛酸蓄電池は、何度も放電されることとなり、停止動作を行っている間に使い果たされた放電を回復するために素早く充電して、その後の停止・始動動作に対応できるようにすることが要求される。この鉛酸蓄電池に対しての新たな要求は、達成するのが困難である。

したがって、改善された鉛酸蓄電池が絶えず必要とされている。

ここに開示されるのは、改善されたフラデッド型鉛酸蓄電池である。

一つの実施形態においては、フラデッド型鉛酸蓄電池は、容器と、当該容器の中に配置される複数の正極板と、前記容器の中に配置される複数の負極板と、前記複数の正極板又は前記複数の負極板のうちのいずれかのそれぞれの少なくとも一側の表面の活性物質に埋め込まれるペースティング基板であって、当該ペースティング基板は初期厚さを有し、前記ペースティング基板は、前記容器内において、初期厚さよりも少なくとも１０〜２０％少ない圧縮厚さを有する、ペースティング基板と、前記容器の中の、前記複数の正極板及び負極板を浸すのに十分な高さまで満たされる電解液と、を備える。

一つの実施形態においては、フラデッド型鉛酸蓄電池は、容器と、当該容器の中に配置される複数の正極板と、前記容器の中に配置される複数の負極板と、前記複数の正極板又は前記複数の負極板のうちのいずれかのそれぞれの少なくとも一側の表面の活性物質に埋め込まれるペースティング基板であって、当該ペースティング基板は２３ｇ／ｍ^２〜３１ｇ／ｍ^２の坪量を有し、当該ペースティング基板はその全重量に対して約５０重量％よりも多くのガラス繊維を含む、ペースティング基板と、前記容器の中の、前記複数の正極板及び負極板を浸すのに十分な高さまで満たされる電解液と、を備える。

一つの実施形態においては、フラデッド型鉛酸蓄電池は、容器と、当該容器の中に配置される複数の正極板と、前記容器の中に配置される複数の負極板と、ガラス繊維を含む不織布の基材であって、前記複数の正極板又は前記複数の負極板のうちのいずれかの少なくとも一側の板の活性物質に埋め込まれ、前記不織布の基材は２３ｇ／ｍ^２〜３１ｇ／ｍ^２の坪量を有し、平均繊維径が５μｍ〜８μｍの繊維と平均繊維径が１１〜１４μｍの繊維との混合物を含む、不織布の基材と、前記容器の中の前記複数の正極板及び負極板を浸すのに十分な高さまで満たされる電解液と、を備える。

上述した及びその他の特徴は、以下の詳細な説明、図面、及び添付の請求の範囲より、当業者によって評価され、理解されるであろう。

次に図面を参照するが、これらは例としての実施形態を示すものであり、同様の要素には同様の符号が付されている。

鉛酸蓄電池の透視図であり、当該電池の内部構造を示すために一部が切り取られている。

電池の極板の正面図であり、説明のために下層の格子の一部をさらすように示してある。

ここで開示するのは、改善されたフラデッド型鉛酸蓄電池であり、従来型のフラデッド型鉛酸蓄電池と比べて、多数の改善点（例えば、改善したサイクル寿命）がある。以下においてより詳細に説明するように、多くの特徴が独自に及び／又は他と互いに組み合わさって特定され、それらが高サイクルの適用（例えば、停止・始動を繰り返す車への適用）に用いることができる電池を成している。ここで開示した実施形態は、とりわけマイクロハイブリッド電気自動車に適用するのに好適であるが、他への適用（例えば、原動力及び太陽電池への適用）も、請求の範囲に挙げた発明の範囲内に含まれると理解されるべきである。

次に図１〜図２を参照すると、符号１０で概して示される改善されたフラデッド型鉛酸蓄電池の例としての実施形態が開示してある。当該鉛酸蓄電池１０は、容器１２を含む。当該容器１２の形状は、設計パラメーターに応じて変更することができるが、一般的に矩形状を有するものとして描かれている。当該容器１２は、底床１６と四枚の側壁１８と上パネルカバー２０とを有する下部容器１４を含む。前記上パネルカバー２０は、容器１２の上面を密封し、当該容器１２から酸性液が漏れるのを防いでいる。上パネルカバー２０は、電池のハウジングの中で生成した気体を逃がすための一つ又はそれ以上の通気孔（不図示）及び通気蓋２２を含むものとすることができる。容器１２を成すのに適した材料には、ポリマー材料のような電気的に非導電の材料が含まれる。

従来型のフラデッド型電池とは違って、一つの実施形態においては、容器１２は、（従来型のフラデッド型電池と比べて）より多くの枚数の電極を重ねて収容することに適合するように設計されている。例えば、側壁１８の厚さは、従来型のフラデッド型電池の側壁と比べてより厚いものとすることができる。一つの実施形態においては、改善したフラデッド型電池は、少なくとも１０％〜２０％、より特定的には１０％〜１５％の体積が圧縮される。（後述する）ペースティング基板を圧縮することにより、体積が圧縮されるが、これに限らず、他の方法により電極板の体積の圧縮を提供することも、請求の範囲に挙げた発明の範囲内に含まれることが想定される。

正極及び負極の導電性端子２４が上パネルカバー２０から突出しており、それにより運転中の電池に電気的クランプを接続できるようになっている。オプションとして、容器１２には、電池を持ち上げやすくするためのストラップ（符号２５で示してある。）、ハンドル又はその他の電池持ち上げ装置が設けられるものとすることができる。

容器１２の中の構成要素には、複数の仕切壁２６が含まれる。当該仕切壁２６は、下部容器１４の底から垂直に延出し、下部容器１４を複数のセルコンパートメント（区画）に仕切っている。これらの仕切壁は通常、容器の底床１６の内側表面、上パネルカバー２０、並びに前壁及び後壁１８に密着されており、それにより酸性液２８（電解液２８とも称している。）が仕切壁２６を越えて漏出することが防止されている。

一つの実施形態においては、電解液２８には硫酸が含まれる。一つの実施形態においては、当該電解液は、フル充電の状態で１５℃で測定したときに、当該電解液の比重が１．２６０〜１．３００グラム毎立方センチメートル（ｇ／ｃｍ^３）となるような量の硫酸を含んでいる。他の実施形態においては、前記電解液は、フル充電の状態で１５℃で測定したときに、その比重が１．２８０ｇ／ｃｍ^３よりも小さくなるようにすることが望ましい。電解液２８は、負極板３２及び正極板３４を浸すのに十分な量が存在する。望まれる適用に応じて、電解液２８の正確な量は変更することができる。

一つの実施形態においては、容器１２の仕切壁２６と側壁１８とにより、セルコンパートメント（区画）３０が形成される。それぞれのセルコンパートメント３０には、交互に配置された負極板３２と正極板３４の積み重ねが含まれる。これについでは、図２においてより詳細に示してある。従来型のフラデッド型鉛酸蓄電池とは違って、負極板３２及び／又は正極板３４の一つ又はそれ以上の表面に塗り込んだ活性物質に、ガラス繊維を含むペースティング基板が埋め込まれる。ペースティング基板が活性物質に埋め込まれる程度は、デザインに応じて変更することができる。一つの実施形態においては、ペースティング基板はその呼び厚さの少なくとも５パーセント（％）が活性物質に埋め込まれる。他の一つの実施形態においては、ペースティング基板はその呼び厚さの少なくとも１０％が活性物質に埋め込まれる。一つの実施形態においては、呼び厚さの２０％〜１００％、より特定的には５０％〜７５％が活性物質に埋め込まれる。一つの実施形態においては、呼び厚さの少なくとも５０％が活性物質に埋め込まれる。その他の実施形態においては、呼び厚さ全体よりも少ない部分が活性物質に埋め込まれることが望ましい。特定的には、呼び厚さの９０％よりも少ない部分、より特定的には１０％〜９０％が活性物質に埋め込まれる。ペースティング基板は、活性物質がまだ未乾燥の状態のときに活性物質に埋め込まれる。

一つの実施形態においては、ペースティング基板はある程度の弾力性を有し、そのため当該ペースティング基板は容器１２の中で圧縮することができる。例えば、ペースティング基板は初期厚さを有し、容器の中においてはペースティング基板の厚さは、初期厚さよりも少なくとも１０％〜２０％少ない、より特定的には１０％〜１５％少ない、圧縮厚さを有する。一つの実施形態においては、前記ペースティング基板にはガラス繊維が含まれる。ただし、他の実施形態においては、前記ペースティング基板にはガラス繊維が含まれないものとすることもできる。

理論によって束縛されることを望むものではないが、ガラス繊維を含むペースティング基板を活性物質に埋め込むことにより、従来型のセルロースを含むペースティングペーパーを用いた場合と比べて、数々の利点が得られると考えられる。具体的には、ガラス繊維を含むペースティング基板を用いることにより、活性物質への酸性液の流れの経路がもたらされるので、従来型のペースティングペーパーを用いた場合と比べて、酸性液の輸送が促進されると考えられる。ガラス繊維は酸性電解液に溶解しないため、ガラス繊維は活性物質と接触した状態に保つことができ、それにより電極板の強度が増し、活性物質に構造的完全性を付与することができる。さらに、相当のポリマー繊維を含むペースティング基板を用いた場合と比べて、ガラス繊維の方が、正極板の酸化環境に対する耐性が高いと考えられる。

様々な実施形態において、前記ペースティング基板は、従来からあるペースティングペーパーと共に用い、又はそれに加えて用いることができる。例えば、様々な実施形態においては、正極板のうちの何枚か又は全てについてのみ、従来からあるペースティングペーパーの代わりに前記ペースティング基板を用いることができる。様々な他の実施形態においては、負極板のうちの何枚か又は全てについてのみ、従来からあるペースティングペーパーの代わりに前記ペースティング基板を用いることができる。他の実施形態においては、負極板３２及び正極板３４の両方のうちの何枚か又は全てについて、ここで開示したペースティング基板を採用する。さらに他の実施形態においては、ペースティングペーパー基材は、セパレーター３８からは離れた、はっきりと区別された電池の構成要素とすることもできる。他の実施形態においては、ペースティング基板は、層のような、セパレーター３８と不可分の一部とすることもできる。その場合、ペースティング基板はセパレーター３８の一部であり、セパレーター３８として機能する。換言すれば、ここに示した実施形態においては、ペースティング基板は、ペースティング処理を行う過程においては支持するものとして機能し、電極が電池の中に配置された後においてはセパレーターとして機能する。

一つの実施形態においては、ペースティング基板は、当該ペースティング基板の全重量に対して５０重量％よりも多くの、より望ましくは７５重量％よりも多くの、ガラス繊維を含む。他の実施形態においては、ペースティング基板には実質的にはガラス繊維が含まれず、ポリエステル及びポリプロピレンのような熱可塑性樹脂を含む。ガラス繊維はいくつかの適用においては好適であるが、他の適用においては熱可塑性繊維が好ましい場合もある。ガラス繊維と熱可塑性繊維との混合物を採用する実施形態も想定される。セルロース繊維に、ガラス繊維及び／又は熱可塑性繊維が混合される実施形態も想定される。

一つの実施形態においては、前記繊維はその平均繊維径が５マイクロメートル（μｍ）〜１６μｍとすることができる。より特定的には、前記繊維は、平均繊維径が５μｍ〜８μｍの繊維（第一径の繊維）と、平均繊維径が１１〜１４μｍの繊維（第二径の繊維）と、の混合物を含むものとすることができる。一つの特定的な実施形態においては、第二の繊維に対する第一径の繊維の比率は２：１〜１：２である。さらにより特定的には、一つの実施形態においては、第二径の繊維に対する第一径の繊維の比率はおよそ１：１（±１０％）である。

繊維径に加えて、所望の性能を得るために変更することのできる繊維のもう一つのものとして、繊維長がある。一つの実施形態においては、前記繊維は、その平均繊維長が５ミリメートル（ｍｍ）〜１６ミリメートルとすることができ、また様々な繊維長の繊維の混合物とすることもできる。例えば、一つの実施形態においては、繊維は、平均繊維長が５ミリメートル〜７ミリメートルの繊維（第一長さの繊維）と、平均繊維長が１１ミリメートル〜１４ミリメートルの繊維（第二長さの繊維）と、の混合物を含む。一つの特定的な実施形態においては、第二長さの繊維に対する第一長さの繊維の比率は２：１〜１：２であり、さらにより特定的な実施形態においては、第二長さの繊維に対する第一長さの繊維の比率は１：１（±１０％）である。

一つの実施形態においては、前記繊維は、平均の繊維径／繊維長の比率が１１マイクロメートル（μｍ）／１３ｍｍ〜１３μｍ／１３ｍｍとなるようにすることができる。一つの実施形態においては、前記ペースティング基板は、その坪量が２３グラム毎平方メートル（ｇ／ｍ^２）〜３１ｇ／ｍ^２であり、その厚さは、１０ｋＰａで測定したときに０．１２ミリメートル（ｍｍ）〜０．２５ｍｍとなるようにすることができる。前記ペースティング基板は、数々の異なる処理過程により形成されるものとすることができる。一つのとりわけの実施形態においては、前記ペースティング基板は、ガラス繊維を含む不織布の基材である。

一つの実施形態においては、電池の負極板３２は多孔質のポリマー材料でできたセパレーター３８の中に封入されている。当該セパレーター３８は、負極板３２を正極板３４から分離させている。他の一つの実施形態においては、電池の正極板３４はポリマー材料でできたセパレーター３８の中に封入されている。当該セパレーターは、例えば、エンベロープ式のセパレーターとすることができ、又はこれに代えてルーズリーフ式のセパレーターとすることもできる。様々な実施形態において、前記セパレーターにはポリオレフィンが含まれる。用いることのできるポリオレフィンの例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、エチレン−プロピレンの共重合体、エチレン−ブテン共重合体、プロピレン−ブテン共重合体、及びエチレン−プロピレン−ブテン共重合体等があるが、これに限定されるものではない。

さらに図１に描かれているように、つまみ又はタブ３６が電気的接続の接触をもたらしている。負極板３２は、極板のつまみと電気的に接触している仕切を通してのコネクタ４０によって共通して接続されている。同様に、ポストストラップコネクタ４２が負極の端に取り付けられており、これが極板のつまみとも電気的に接触されている。正極板３４は、仕切コネクタと、正極に取り付けられたポストストラップと、を通じて、共通して接続されている。

極板３２・３４の下端は、随意に、台要素４４により支持されるものとすることができる。当該台要素４４は、下部容器１４の底床１６上に載置され、極板の下に配置されるものとすることができる。一つの実施形態においては、極板３２・３４、とりわけ包まれておらず露出している正極板は、結合材料４６により台要素に固定されているものとすることができる。当該結合材料４６としては、エポキシ樹脂、熱溶融性接着剤、又はストラップ、テープ、ブロックのような機械的な締結要素、又はその他の結合材料若しくは締結要素が挙げられる。これらのものは、容器１２内における極板３２・３４の移動を防止することができる。台要素が、極板の下端を、容器の底表面から離すように保持するので、極板の下の沈殿物の油溜まり４８には、あらゆる堆積物や異物が堆積する。このようして、沈殿物の油溜まり４８は、これらの堆積物を保持しているのであり、極板は堆積物から分離されている。

図２は、典型的な電池の極板３２・３４を示している。この図においては、下層を成している格子板５０から活性物質の一部を除いた状態を示してあり、そうすることにより、活性物質を支持する骨組みを提供する板の格子構造を明示している。いくつかの実施形態においては、前記格子板は、二つ又は四つの端に縁５２を有するものとすることにより、構造的に支持されるものとすることができる。グリッドのパターンは、様々な設計パラメーターに応じて変更することができる。下層を成す格子板は、典型的には、鉛又は鉛合金のような導電材料により形成されるものとすることができる。図２に示されたパターンは例示に過ぎない。下層を成す格子板５０は、あらゆる数の処理過程によって形成されるものとすることができ、現に請求の範囲に挙げている発明の範囲を限定することを意図したものではない。例としては、前記格子は、（１）ブックモールド金型重力鋳造のようなバッチ処理により形成することができ、また（２）ストリップの拡張、ストリップスタンピング、連続鋳造、及び後にローリングが続く連続鋳造のような連続法により形成することもできる。

活性物質５４は、一般的に、未乾燥の濡れた状態のペーストと称されるが、これは典型的には鉛系材料である（例えば、電池の異なる帯電／放電状態の、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ、又はＰｂＳＯ_４）。活性物質は、下層を成す格子板５０にペーストとして塗り込まれ、ペーストが未乾燥の濡れている状態のときに、上述のように活性物質にペースティング基板５６が埋め込まれる。図２においては、ペースティング基板５６には、描写のためにクロスハッチングを施して示してある。

以上で簡単に説明したように、本開示の実施形態に係るものとして設計された改善されたフラデッド型鉛酸蓄電池は、従来型のフラデッド型鉛酸蓄電池と比べて、電池の耐用年数を延ばすことができ、そして／又はより高効率でサイクリングを繰り返すことができる。さらに、前記ペースティング基板を用いることで、多くの連続処理の機会を提供することができ、製造工程における取り扱いにおいても利点を有する。

例としての実施形態を参照しながら本発明の説明をしたが、本発明の範囲から逸脱しない範囲において、様々な変更を加えることができ、またその中の要素を均等物に置き換えることもできるものと、当業者によって理解されるべきである。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱しない範囲において、本発明の教示に従って、特定の状況に適合させるために種々の変更を加えたり、材料を最適なものにしたりすることができる。そのため、この発明を実行するための最良の形態として熟慮され開示された特定の実施形態に、本発明が限定されることを意図したものではなく、添付の請求の範囲の範囲内に含まれる全ての実施形態が、本発明に含まれる。

Claims (10)

1. 容器と、
   当該容器の中に配置される複数の正極板と、
   前記容器の中に配置される複数の負極板と、
   前記複数の正極板又は前記複数の負極板のうちのいずれかのそれぞれの少なくとも一側の表面の活性物質に埋め込まれるペースティング基板であって、当該ペースティング基板は２３ｇ／ｍ^２〜３１ｇ／ｍ^２の坪量を有し、当該ペースティング基板はその全重量に対して約５０重量％よりも多くのガラス繊維を含む、ペースティング基板と、
   前記容器の中の、前記複数の正極板及び負極板を浸すのに十分な高さまで満たされる電解液と、
   を備えるフラデッド型鉛酸蓄電池。
2. 請求項１に記載のフラデッド型鉛酸蓄電池であって、前記ペースティング基板は、平均繊維径が５μｍ〜８μｍの繊維と、平均繊維径が１１〜１４μｍの繊維と、の混合物を含む、フラデッド型鉛酸蓄電池。
3. 請求項２に記載のフラデッド型鉛酸蓄電池であって、前記ペースティング基板は、繊維長が５ミリメートル〜７ミリメートルの繊維と、繊維長が１１ミリメートル〜１４ミリメートルの繊維と、の混合物を含む、フラデッド型鉛酸蓄電池。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のフラデッド型鉛酸蓄電池であって、前記ペースティング基板は、ガラス繊維を含む不織布の基材である、フラデッド型鉛酸蓄電池。
5. 請求項４に記載のフラデッド型鉛酸蓄電池であって、前記ガラス繊維は、平均径／繊維長の比率が１１マイクロメートル／１３ｍｍ〜１３マイクロメートル／１３ｍｍである、フラデッド型鉛酸蓄電池。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のフラデッド型鉛酸蓄電池であって、前記ペースティング基板の厚さは、前記容器の中において、初期厚さよりも少なくとも１０〜２０％少ない圧縮厚さを有する、フラデッド型鉛酸蓄電池。
7. 請求項６に記載のフラデッド型鉛酸蓄電池であって、前記電解液は、フル充電の状態において１５℃で測定したときに、その比重が１．２６０〜１．３００ｇ／ｃｍ^３となるような量の硫酸を含む、フラデッド型鉛酸蓄電池。
8. 請求項７に記載のフラデッド型鉛酸蓄電池であって、前記電解液は、フル充電の状態において１５℃で測定したときに、１．２８０ｇ／ｃｍ^３よりも小さい比重を有する、フラデッド型鉛酸蓄電池。
9. 請求項６に記載のフラデッド型鉛酸蓄電池であって、前記容器の中には、前記複数の正極板のそれぞれと前記複数の負極板のそれぞれとの間に配置される付加的なセパレーターが更に備えられる、フラデッド型鉛酸蓄電池。
10. 請求項９に記載のフラデッド型鉛酸蓄電池であって、前記ペースティング基板は、１０ｋＰａで測定したときのその厚さが、０．１２ｍｍ〜０．２５ｍｍである、フラデッド型鉛酸蓄電池。

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