JP4491243B2 - 正極と導電性ストラップとの間に耐振動性の接合部を具備する電池 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には電池に関し、より詳細には鉛蓄電池に関する。

典型的な電池は、その電池内で電気接続されており、その電池の電力源になる電気化学セルを一つ以上備えている。これらのセルは、一般に、次の４つの基本部品を具備する。セルが放電する際に外部回路から電子を受け取る正極（充電時には陽極、放電時には陰極）と、セルが放電する際に外部回路に電子を与える負極（充電時には陰極、放電時には陽極）と、電荷が前記正極と前記負極の間を流れるメカニズムを生じる電解質（多くの場合、溶液またはペースト形態）と、前記正極と前記負極を電気的に孤立させる一つ以上のセパレータとである。これらの部品の電気化学的な関係のため、この構造により、前記セルは電力を生じることができる。一旦、電流が発生すると、電流は、典型的には、正極板から導電体を通って端子に搬送され、そこから外部回路に搬送されて、負極板と接続している端子を通り（典型的には、別の導電体を通って）その電池に戻る。

鉛蓄電池は、再充電できることが望ましい時に人気がある。特に電池の重量がさほど懸念されない時には、鉛蓄電池が、乱用に対する高い耐性および比較的安い製造コストのため、再充電可能な用途に特に望ましい。結果として、鉛蓄電池は自動車および他の車両に電力を供給するためにしばしば使用される。これらの環境が、相当苛酷であり得るし、様々な形態の酷使が存在し得るからである。鉛蓄電池は、電力グリッドが破損した時に電力を供給するバックアップシステムにおいてもしばしば使用される。

大部分の鉛蓄電池は、一般に、同じ基本電気化学反応に依存して電力を生産し、典型的には同じ活性材料を利用する。その電気化学反応を以下に示す。
（陰極）
ＰｂＯ₂＋ＳＯ₄ ^-2＋４Ｈ⁺＋２ｅ^-→ＰｂＳＯ₄＋２Ｈ₂Ｏ
（陽極）
Ｐｂ＋ＳＯ₄ ^-2→ＰｂＳＯ₄＋２ｅ^-

陽極では、金属鉛が硫酸イオン（ＳＯ₄ ^2-）と反応し、硫酸鉛（ＰｂＳＯ₄）に変換される。陰極では、二酸化鉛（ＰｂＯ₂）が硫酸イオン（ＳＯ₄ ^2-）と反応し、これも硫酸鉛に変換される。電子は、陽極により与えられ、外部回路を通って伝わって、その陰極により受け取られる。

実際、典型的な鉛蓄電池は、多数の重置陽極および陰極層を具備する。最も多くの場合、これらは、次の二つの構造のうちの一つに配置される。積層状の板か、または渦巻き形の細長いストリップかである。いずれの場合も、陽極および陰極層は、電気絶縁材料（典型的には、ガラスファイバーマットまたはこの種の他のもの）で作られたセパレータ層により、互いに分離されている。典型的には希硫酸溶液を電解質として使用して、硫酸イオンを生じる。

積層状の板の種類の鉛蓄電池は、セパレータ層によって切り離された積層体の形に交互配列の複数の陽極板および陰極板を備えている。言い換えると、その典型的な配列は、陰極板、セパレータ層、陽極板、別のセパレータ層、第二の陰極板、等々を含む。この方式で積重ねられた２９もの陰極板および陽極板を備える電池もある。

それらの板で発生する電気化学反応によって作られたエネルギーを利用するために、陰極板を互いに平行に接続し、別途、陽極板を互いに平行に接続する。それらの板を接続するための一つの一般的な技法は、各板の一端から突出したタブを備えることである。それらのタブを各陰極板上の同じ位置に配置して、それらの板を積み積層した時にタブが一列に配列されるようにする。それらのタブを導電性接続ストラップに取り付け、そして次に、その電池の端子に接続する。同様の一列配列タブが、陽極板から突出しており、それらを接続ストラップによって接続するのだが、それらのタブは、陰極ストラップへの干渉を避けるために、陽極板上の別の位置に配置する。この構造の一例は、ＭｃＣｌｅｌｌａｎｄらの米国特許第４，３８３，０１１号明細書に記載されている。

この設計を有する鉛蓄電池によって経験されうる一つの問題点は、それらの電池の耐振動性および耐久性であると考える。上で論じたように、鉛蓄電池は、典型的には丈夫であるため、過酷な環境でしばしば使用される。それ故、それらは、特に耐激突性、耐衝突性、耐衝撃性および耐振動性について、過酷な試験を受ける（試験の例については、ＶＧ９６９２４−２、ＢＳ６２９０ ｐａｒｔ４，ＩＥＣ参照）。場合によっては、正極板のタブと接続ストラップとの間の接合部に破損が生じる。正極板のこの領域は、下にある本体の金属鉛（Ｐｂ）を保護するためにタブの表面で発生する酸化（すなわち、ＰｂＯ₂の生成）に起因して、脆性になりうる。ＰｂＯ₂層は、比較的脆性であり、振動試験中に受ける剪断荷重のもとでひび割れすることがある。その後、これらのひび割れが、下にある本体の金属鉛を露出させて、酸化させる。酸化、その後のひび割れというこのパターンは、その板からのタブを完全に破壊するまで繰り返す。

本発明は、振動および他の過酷な機械的試験中に正極板のタブと接続ストラップとの間の接合部における耐破壊性を支援することができるセルおよび電池ならびにそれらの製造方法に関する。本発明の第一の態様としての電池の製造方法は、第一段階として、交互配置の正極板および負極板を具備する電池用のセルを提供するステップを含み、この場合、電極板の各々は、電気絶縁性のセパレータ層により分離されており、これら正極板および負極板は、互いに覆われる関係にある。正極板の各々は、それらの上部から伸長する突出タブ備えており、これら正極板の突出タブは、略一列に配列されている。負極板の各々は突出タブを備えており、これら負極板の突出タブは、略一列に配列されている。次に、本方法は、正極板の突出タブに導電性の接続ストラップを取り付けるステップを含む。その後、本方法は、正極板の突出タブの部分および正極板の上部にキャップ材料を塗布する（正極側の接続ストラップ上に接着材を流し込み、これを広げて、正極板のタブおよび正極板の上部の他、典型的には負極板の上部およびセパレータの上部に垂らすことなどによる）ステップと、キャップ材料を硬化させて、突出タブ、正極板の上部および負極板の上部に取り付けられたキャップを提供するステップとを含む。本方法は、正極板タブと接続ストラップとの間の接合部が剛性付与され、かつ／または酸化防止されるセルを製造することができ、このようなことの各々により、機械的試験における性能が改善される。

第二の態様として、本発明は、ハウジングと、交互に配置された複数の正極板および負極板と、２つの導電性の接続ストラップと、キャップとを含んでなる電池に関する。正極板および負極板の各々は、電気絶縁性のセパレータ層により切り離されおり、正極板および負極板は互いに覆われる関係にあるとともにハウジング内に配置されている。正極板の各々はそれらの上部から伸長する突出タブを備えており、これら正極板の突出タブは略一列に配列されている。また、負極板の各々は突出タブを備えており、これら負極板の突出タブは略一列に配列されている。一方の導電性接続ストラップは、正極板の突出タブに取り付けられており、他方の導電性接続ストラップは、負極板の突出タブに取り付けられている。キャップ（一例として、接着性の材料で形成される）は、正極板の突出タブおよび正極板の上部（さらに典型的には負極板の上部およびセパレータの上部）を覆っている。

以下に、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を参照しながら本発明をさらに充分に説明する。しかし、本発明は、多数の異なる形で具体化することができ、本明細書に記載されている実施形態への限定とみなすべきものではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が詳細で完全なものになるため、および当業者に本発明の範囲を充分に知らせるために提供されるものである。

図面中の線、層および領域の厚さは、明瞭にするために誇張されていることもある。層、領域、支持体またはパネルなどの要素が、別の要素「の上」にあるとされている時、それは、他の要素の上に直接あり得るか、または介在要素が存在してもよいと理解され得る。対照的に、ある要素が、別の要素「の上に直接」あるとされている時、介在要素は存在しない。ある要素が、別の要素に「接続されている」または「取り付けられている」とされている時、それは、他の要素に直接接続されているまたは取り付けられていることであり得るか、または介在要素が存在してもよいと理解され得る。対照的に、ある要素が、別の要素に「直接接続されている」または「直接取り付けられている」とされている時、介在要素は、存在しない。方向的な用語「上方向に」、「下方向に」、「垂直に」、「水平に」およびこれらに類するものは、本明細書では、説明のためのみに使用される。

図面を参照すると、図１Ａおよび図１Ｂには、１０として電池セルが示されている。このセル１０は、交互に何層にも覆われる方式で配列された複数の実質的に平面の正極板１２および複数の実質的に平面の負極板１４を備えており、隣接する正極板と負極板のペアは、各々、セパレータ１６により分離されている。正極板および負極板１２、１４ならびにセパレータ１６は、セルまたは電池での使用に適する当業者には公知の材料でよい。鉛−酸セルにおいて、正極および負極板１２、１４は、鉛をベースにした材料（本明細書中で用いられる場合、「鉛をベースにした」材料は、少なくとも９９％鉛を含む）で作られている。セパレータ１６は、典型的にはガラスマイクロファイバーまたは合成装荷ガラスマイクロファイバーで作られている。正極板および負極板１２、１４ならびにセパレータ１６のサイズおよび厚さは、当業者には公知であり、本明細書で詳細に説明する必要はない。

図１をさらに参照すると、正極板１２の各々は、正極板１２の上端から上方向に伸長する突出タブ１２ａを備えている。タブ１２ａは、正極板１２を積層した時、タブ１２ａが略一列に配列されるように、各正極板１２上の実質的に同じ位置から伸長している。タブ１２ａは、平行するすべての正極板１２の電気接続を助ける。同様に、負極板１４の各々は、突出タブ１４ａを備えており、これらは、負極板１４の上端から上方向に伸長しており、また、各板１４の実質的に同じ位置に配置され、略一列に配列されているため、平行する負極板１４の電気接続を助ける。タブ１２ａ、１４ａの正確な形状は、多様であり得るが、選択される構造は、それぞれの電極板の端から、それらの電気接続を可能にするために充分に伸長していなければならない。

正極板１２および負極板１４の相互接続は、図示的および典型的には、タブ１２ａに正の接続ストラップ１８を当てがい、タブ１４ａに負の接続ストラップ２２を当てがうことによって達成される（図３〜６参照）。ストラップ１８、２２は、例えば、セル１０を逆さにし、鉛などの溶融材料２９、３２を収容した鋳型２６のウエル（くぼみ）２８、３０に、タブ１２ａ、１４ａを浸漬することよって、当てがうことができる。タブ１２ａ、１４ａは、溶融材料２９、３２が凝固するまでウエル（くぼみ）２８、３０の中で維持する。ストラップ１８、２２が取り付けられたセル１０を、その後、鋳型２６から持ち上げる。当業者は、手作業での焼きつけまたは他のいずれかの機械的接合法など、タブ１２ａ、１４ａに接続ストラップ１８、２２をそれぞれ取り付けるための他の技術を思い出すであろう。それらも、本発明で利用することができる。

ストラップ１８、２２をセル１０に当てがった後、セル１０を追加のセル１０とともに多セル型電池５０内に配置することができる（図３および４参照）。前記電池５０は、複数のセル１０（典型的に、これらは、同様のサイズのセルである）および区画化されたハウジング５２を備えており、ハウジングの区画５４は、各々、その中に挿入されるセル１０を一つ収容する。セル１０は、一つのセル１０の正の端子が、別のセル１０の負の端子２４に隣接するように配置する。

図５を参照すると、セル１０がハウジング５２に挿入された後、キャップ材料４２（典型的には、接着剤）が各セル１０の正極側の接続ストラップ１８に塗布される（負極板１４は、通常酸化しないので、そこでは前述の脆化およびひび割れが発生する傾向がない）。キャップ材料４２は、例えば、ディスペンサー４０で塗布することができ、それによって、キャップ材料４２を正の接続ストラップ１８の上面１８ａの上に堆積させる。キャップ材料４２をその上面１８ａの上に広がらせ、その正の接続ストラップ１８の側面１８ｂに滴下させて、タブ１２ａならびに隣接する正極板および負極板１２、１４およびセパレータ１６の上部１２ｅ、１４ｅ、１６ｅの露出部分を被覆する（図７参照）。典型的には、キャップ材料４２は、正極板および負極板１２、１４およびセパレータ１６の間の空間に、正極板および負極板１２、１４およびセパレータ１６の上部１２ｅ、１４ｅ、１６ｅから０．５ｃｍから１．０ｃｍ（寸法は、電池のタイプ／サイズに依存して変化し得る）の距離にわたり流れるが、キャップ材料４２をこれらの要素上に、より多くも、より少なくも、望みどおりに流れさせることができる。その後、そのキャップ材料４２を硬化させて、キャップ４４を形成する。

幾つかの実施形態では、キャップ４４によって、正の接続ストラップ１８と、正極板および負極板１２、１４およびセパレータ１６の頂端とを一体化することができ、その結果、そのセル１０の構造的結着性および耐振動性を改善することができる剛性付与構造を生じることができる。幾つかの他の実施形態では、キャップ４４は、中でも、正極板１２のタブ１２ａをコーティングし、そのタブの酸化に対する保護層になることができる。なおさらなる実施形態では、キャップ４４は、構造的結着性、耐振動性、および酸化に対する保護をもたらすことができる。

キャップ４４は、上述の剛性付与機能および／または保護機能をもたらすことができるあらゆる材料で作ることができる。キャップ材料の例には、エポキシ樹脂、反応性アクリル樹脂または接合化合物などの接着剤が挙げられる。幾つかの実施形態では、キャップ４４は、説明したように、正の接続ストラップ１８の上に堆積させ、そこから正極板および負極板１２、１４の上部１２ｅ、１４ｅならびにタブの部分１２ａ、１４ａに広がらせることができる粘度（典型的には、２５℃で約１９センチポアズ）を有する材料で作ることができる。キャップ材料は、電池の内部環境に耐えるように酸（特に硫酸。鉛蓄電池の電解液に典型的に用いられるので）および８０℃以下の温度に対しても耐性であり得る。さらに、キャップ材料は、電池内の内圧の発生を避けるために有意に「ガス発生」しないものとし、少なくとも正極板１２に付着しなければならない。キャップ材料の例は、Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ Ｌｔｄ（Ｂｕｓｈｂｙ Ｂｒｏｏｋｓ Ｗｏｒｋｓ，１６ Ｓｐｅｎｃｅ Ｓｔｒｅｅｔ，Ｌｅｉｃｅｓｔｅｒ．ＬＥ５ ３ＮＷ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ）から入手できるＳ−２４７０−Ｅエポキシである。

正の接続ストラップ１８および正極板１２の上部１２ｅにキャップ４４を当てがうことについて他の技術を利用できることは、当業者にはわかるだろう。例えば、キャップ４４は、正極板１２の上部１２ｅおよびタブ１２ａ上にその材料を噴霧または直接注入することにより当てがうことができる。もう一つの例として、鋳型を正の接続ストラップ１８の周りに配置して、キャップ材料４２が流れてその鋳型を満たし、所定の形状を取るようにして、キャップ４４を当てがうこともできる。

キャップ層４４を当てがった後、隣接しているセル１０の正および負の端子２０、２４を電気接続する。その後、電池５０にカバーをし、電解液を充填する。充填済み電池は、使用前にガス抜きし、蓋をする。

本明細書において図示し、論じているキャップは、多セル型電池で用いられているが、そのキャップを単セル型電池でも用いることができることは、当業者にはご理解いただけよう。さらに、本明細書では「平行板」電池を図示し、説明しているが、キャップは、正および負極板が、重置式で渦巻き形に巻かれている「渦巻き型」電池でも有利に用いることができる。さらに、キャプに、負の接続ストラップならびに隣接する電極板およびセパレータの上端を備えさせることもできるが、その必要はない。

上の記載は、本発明の実例となるものであり、本発明を限定すると解釈すべきものではない。本発明の例示的実施形態を説明してきたが、本発明の新規技術および利点を著しく逸脱することなく、前記例示的実施形態において多くの変形が可能であることは、当業者には容易にご理解いただけよう。従って、そのような変形すべてが、特許請求の範囲に記載されているとおりの本発明の範囲に包含されるものと解釈される。本発明は、後続の特許請求の範囲によって定義されるものであり、本特許請求の範囲と等価のものは、そこに包含される。

本発明に係る電池セルの正極板と負極板とセパレータとの積層体の斜視図である。 図１Ａの電池セルの分解組立斜視図である。 本発明の実施形態に従って接続ストラップを形成するために溶融材料に浸漬させる図１Ａのセルの模式的な斜視図である。 図２Ａの２Ｂ−２Ｂ線におけるセルの断面図である。 本発明の実施形態に従って電池ハウジングへの図２Ａおよび図２Ｂのセルの挿入を示す模式的な側面図である。 複数の図２Ａおよび図２Ｂのセルを収容した本発明の電池を示す模式的な側面図である。 各々のセルが本発明の実施形態に従ってキャップを受け取っている図４の電池の模式的な斜視図である。 完成したキャップ層を備えた図５の電池の斜視図である。 キャップ層を図示する図６の電池の模式的な側面図である。

Claims (19)

1. 交互に配列された複数の正極板および負極板を有する電池用のセルであって、前記正極板および前記負極板が電気絶縁性のセパレータ層によりそれぞれ分離されており、前記正極板および前記負極板が前記セパレータ層を介して互いに覆われる関係にあり、前記正極板の各々が、それらの上部から伸長する突出タブを備えており、これら正極板の突出タブが略一列に配列されており、かつ前記負極板の各々が突出タブを備えており、これら負極板の突出タブが略一列に配列されている電池用のセルを、提供するステップと、
   前記正極板の突出タブに導電性の接続ストラップを取り付けるステップと、
   前記正極板の突出タブならびにそれに隣接する前記正極板、前記負極板および前記セパレータ層の上部の露出部分をキャップ材料で被覆するステップと、
   前記キャップ材料を硬化させて、前記正極板の突出タブおよび前記正極板の上部に取り付けられるキャップを提供するステップと
   を含む電池の製造方法。
2. 前記キャップが、前記正極板の突出タブならびにそれに隣接する前記正極板、前記負極板および前記セパレータ層の上部の露出部分を被覆してこれらの酸化を防止する請求項１に記載の方法。
3. 前記キャップが、前記接続ストラップと、前記正極板、前記負極板および前記セパレータ層の頂端とを一体化する剛性付与構造である請求項１に記載の方法。
4. 前記正極板および前記負極板が、鉛を少なくとも９９％含む材料で形成される請求項１に記載の方法。
5. 前記取り付けステップ後に前記セルをハウジング内に挿入するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
6. 前記塗布ステップ後に前記セルに電解液を加えるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
7. 前記塗布ステップが、前記接続ストラップの上面に前記キャップ材料を塗布するステップと、このキャップ材料を前記接続ストラップの側面に滴下させて、前記正極板の突出タブならびにそれに隣接する前記正極板、前記負極板、前記セパレータ層の上部の露出部分を被覆するステップとをさらに含む請求項１に記載の方法。
8. 前記キャップ材料が接着性の樹脂を含む請求項７に記載の方法。
9. 前記接着性の樹脂がエポキシ樹脂である請求項８に記載の方法。
10. 前記キャップ材料が、２５℃で１９センチポアズの粘度を有する請求項７に記載の方法。
11. 前記正極板および前記負極板が、平面である請求項１に記載の方法。
12. 前記接続ストラップを取り付けるステップが、鋳型のくぼみに注入された導電性の溶融溶液中に前記正極板の突出タブを浸漬するステップと、この突出タブを、前記溶融溶液が凝固するまで、前記鋳型のくぼみの中で維持するステップとを含む請求項１に記載の方法。
13. 前記導電性の溶融溶液が、鉛を少なくとも９９％含む材料を含む請求項１２に記載の方法。
14. ハウジングと、
    交互に配列された複数の正極板および負極板であって、これら正極板および負極板が電気絶縁性のセパレータ層によりそれぞれ分離されており、前記正極板および前記負極板が互いに覆われる関係にあるとともに前記ハウジング内に配置されおり、前記正極板の各々が、それらの上部から伸長する突出タブを備えており、これら正極板の突出タブが略一列に配列されており、かつ前記負極板の各々が突出タブを備えており、これら負極板の突出タブが略一列に配列されている正極板および負極板と、
    前記正極板の突出タブに取り付けられた導電性の接続ストラップと、
    前記負極板の突出タブに取り付けられた導電性の接続ストラップと、
    前記正極板の突出タブならびにそれに隣接する前記正極板、前記負極板および前記セパレータ層の上部の露出部分を被覆するキャップと
    を含む電池。
15. 前記キャップが接着性の樹脂を含む請求項１４に記載の電池。
16. 前記接着性の樹脂が、エポキシ樹脂、反応性アクリル樹脂および接合化合物からなる群より選択される材料を含む請求項１５に記載の電池。
17. 前記正極板および前記負極板が、鉛を少なくとも９９％含む材料で形成される請求項１４に記載の電池。
18. 前記負極板の接続ストラップにはキャップがない請求項１４に記載の電池。
19. 前記ハウジングに収容された電解液をさらに含む請求項１４に記載の電池。

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