JP5103385B2 - 電池グリッド - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本願は、２００５年５月２３日に出願された米国仮特許出願第６０／６８３，６０８号の利益を主張し、この開示内容全体は、本願明細書に参照により援用されたものとする。
本発明は、電池（例えば、車両の始動、点灯、および点火用の電池、船用電池、民生用電池、産業用電池、ハイブリッド電気車両で使用するための電池などの鉛蓄電池）で使用するためのグリッドに関する。特に、本発明は、グリッドの成長が原因の電池セルの短絡に対して耐性のある構成を備えたグリッドに関する。
従来、鉛蓄電池は、エネルギーが蓄積される多数のセルを含む。例えば、６個のセルを含む１２ボルト電池の場合、それぞれのセルが２ボルトを供給することになる。各セルは、１つ以上の正極または正極板と、１つ以上の負極または負極板とを含む。また、電池の充放電中、セルで化学反応が起きやすいように、電解液（例えば、硫酸希釈液などの酸）がセルに設けられる。
正極および負極はそれぞれ、ペースト状の活性材料を上部に設けた鉛または鉛合金（例えば、鉛カルシウム合金）製のグリッドを備える。このようなグリッドは、複数のノードに連結された複数のワイヤを含む（例えば、電池グリッドが、４辺からなり、その４辺の１辺からラグまたは集電子が延伸するフレームと、複数のノードで相互接続されたワイヤまたはグリッド要素網とを含んでもよい）。
正極および負極は、各セルに交互に配設され、セパレータ（例えば、微孔性の高分子セパレータ）によって隣接する極板から分離される。例えば、負極は、隣接する正極から電気的に絶縁されるように、セパレータエンベロープ内に収容されてもよい。このようにして、正極および負極は、互いに直接接触することがなくなり、セルに短絡が生じる事態が避けられる。
使用期間が長期にわたると、グリッドが腐食することで、グリッドが成長してしまうことがある。例として、図１に、集電子１２を有する第１の電極１０（例えば、正極）が、集電子２２を有する第２の電極（例えば、図１の電極１０によって部分的に見えにくくなった負極）に隣接して配設されたセルを示す。正極の集電子１２は、ストラップまたはコネクタ１４によってセルの他の正極に電気的に結合されるのに対して、負極の集電子２２は、ストラップまたはコネクタ２４によってセルの他の負極に電気的に結合される。次いで、あるセルの正極ストラップは、次のセルの負極ストラップに接続される。
正極１０の成長を、破線３０および３２で示す。グリッドが電槽に設置されると、グリッドの側部および底部は、一般に、電槽壁による抑制を受ける。このような状況では、一般に、グリッドの上面に沿ってグリッドが成長してしまうことになる。場合によっては、このように正の垂直方向に抑制なく成長することで、セルの短絡が生じることもある。例えば、図１に示すように、破線３２で示す正方向へグリッドが成長することで、グリッドの一部分が、負極に接続されたストラップ２４と接触することにもなりうる。このような状況では、正極および負極が電気的に結合されてしまい、セルを短絡するように作用してしまいかねない。このように、隣接する正極および負極が、高分子セパレータを用いて互いに分離されている場合でも、グリッドが腐食し、垂直方向に成長してしまうことで、短絡が起きる可能性が残ってしまう。
電池で使用するためのグリッドを提供することはすでに知られているが、このような既知のグリッド構成では、利点となりうる特徴および／または特徴の組み合わせが提供されていない。
本発明の１つの実施形態は、上部要素と、底部要素と、第１の側部要素と、第２の側部要素とを含むフレームを含む電池グリッドに関する。電池グリッドはまた、フレーム内に設けられ、複数の開口エリアを画定する複数のワイヤと、上部要素から第１の方向に延伸する集電ラグとを含む。電池グリッドは、電池グリッドの寿命中に、電池グリッドが腐食することで第１の方向に電池グリッドが成長してしまう量を低減するように構成された、電池グリッドに設けられた少なくとも１つの特徴をさらに含む。
図２は、１つの例示的な実施形態による電池グリッド１００を示す。グリッド１００は、正極または負極のグリッドのいずれかであってもよく、任意の既知の材料（例えば、鉛カルシウム合金などの鉛または鉛合金など）を用いて、任意の既知の方法（例えば、鋳造法、材料シートに穴をあけた後に材料シートを膨張する方法、連続打ち抜き作業法など）によって製造されてもよい。例えば、以下の米国特許第５，５８２，９３６号明細書、同第５，９８９，７４９号明細書、同第６，２０３，９４８号明細書、同第６，２４５，４６２号明細書、および同第６，２７４，２７４号明細書に、本願明細書に従って使用されてもよい電池グリッドのさまざまな非排他的な例が示されており、これらの開示内容全体は、本願明細書に参照に援用されたものとする。
図２を参照すると、グリッド１００は、上部フレーム要素１１２と、第１および第２の側部フレーム要素１１４および１１６と、底部フレーム要素１１８とを含むフレームを備える。グリッド１００は、開口エリア１２０を画定する一連のグリッドワイヤを含み、この開口エリア１２０に、電池に電流を発生させる電気化学的に活性なペースト（図示せず）が保持される。集電子またはラグ１２２が、上部フレーム要素１１２と一体化され、上部フレーム要素１１２の中心からずらされる。上部フレーム要素１１２は、ラグ１２２のすぐ下方に拡大した伝導性セクション１２４を含み、ラグ１２２へ最適に電流を伝えるように、図示した形状を有する。
放射状に延伸する一連の垂直方向グリッドワイヤ要素１２６が、グリッド１００の一部を形成する。垂直方向ワイヤ要素１２６は、上部フレーム要素１１２と、底部フレーム要素１１８、第１の側部フレーム要素１１４、および第２の側部フレーム要素１１６の少なくとも１つとに接続される。垂直方向ワイヤ要素１２６は、底部要素１１８から上部要素１１２へと向かうにつれて接近した状態になり、左側要素１１４または右側要素１１６へと向かうにつれて離れた状態になる。
グリッド１００はまた、複数の水平方向または横断ワイヤ要素１３０を含む。垂直方向ワイヤ要素１２６および水平方向ワイヤ要素１３０の端部の個々の断面は、複数のノード１４４で接合され、この接合により、電気化学的に活性な伝導用ペーストを支持する開口エリア１２０が画定される。
図３〜図９は、電池の耐用寿命中に、グリッド１００が腐食するときのグリッド１００の成長を後退、制限、または抑制するように意図された、図１に示すグリッドのさまざまな修正例を示す。図２に示す丸数字は、さまざまな修正が加えられた場合のグリッド１００上での場所を反映したものである（例えば、図３に示す修正例は、図２の丸数字３で指定される）。
図３に示すように、水平方向または垂直方向ワイヤ要素の１つに、「ウィークリンク」が設けられてもよい。例えば、１つの例示的な実施形態によれば、ワイヤ２００にしきい値量の応力がかかると破断するように構成された一部分またはセグメント２１０によって、ワイヤ２００の第１の部分またはセグメント２２０が、ワイヤ２００の第２の部分またはセグメント２３０に接合されてもよい。グリッド１００が成長することで、第１の部分２１０が、第２の部分２３０に対して移動すると、中間部分２１０が破断し、この点でグリッドの成長を妨げるように作用することもある。図３に示すように、中間部分２１０は、部分２２０の位置が部分２３０に対して「互い違い」になるように、部分２２０を部分２３０に接続するように設けられる。さまざまな例示的な実施形態によれば、腐食が原因のグリッドの成長によって生じた応力を再方向付けるために、任意の適切な数のウィークリンクがグリッドに設けられてもよく、必要に応じて、垂直方向および水平方向ワイヤの両方に設けられてもよい。
図４に示すように、垂直方向および水平方向ワイヤの１つ以上が、しきい値量の応力がかかると破断したり、電池寿命が所与の時間経過すると腐食して離れたりするように意図されたヒューズとして作用するように構成されてもよい。図４に示す１つの例示的な実施形態によれば、ワイヤ３００が、比較的薄い部分またはセグメント３１０によって接続された第１の部分３２０および第２の部分またはセグメント３３０を含んでもよい（例えば、部分３１０は、ワイヤ３００の残りの部分と比較すると、断面積が小さく、および／または、断面形状が異なる）。腐食したことでグリッドが成長すると、ワイヤ３１０に引っ張り応力がかかる場合がある。部分３１０の断面が、部分３２０および３３０のものより小さいため、ワイヤ３００は、かなりの程度の応力がかかると部分３１０で破断したり、腐食して離れたりする。このような破断は、この点でグリッドの成長を妨げるように作用することもある。さまざまな例示的な実施形態によれば、任意の適切な数の水平方向または垂直方向ワイヤは、必要に応じてグリッドに設けられてもよく、ヒューズには、任意の種々の構成が与えられてもよい。
図５に示すように、グリッドの成長から生じた応力の一部分を吸収し、または再方向付けるように意図されたワイヤの１つ以上に、歪曲部が設けられてもよい。図５に示す１つの例示的な実施形態によれば、ワイヤ４００に、曲線的な特徴４１０が設けられてもよい。腐食が原因でグリッドが成長すると、ワイヤ４００の形状が変わることがある。歪曲部（例えば、曲線的な部分４１０）があると、（例えば、成長線が直線以外のものになることで）成長の一部を偏向させることもある。このように、グリッドの成長は、この点で妨げられてもよい。さまざまな例示的な実施形態によれば、グリッドに、歪曲部を有する任意の適切な数の垂直方向または水平方向ワイヤが設けられてもよく、１つ以上の歪曲部には、任意の種々の構成が用いられてもよい。
図６に示すように、フレーム要素の１つの一部分が、ノッチまたはカットアウトを含んでもよい。図６に示すように、１つの例示的な実施形態によれば、底部フレーム要素１１８は、フレームに対するウィークポイントとして作用するように意図されたノッチまたはカットアウト１１９を含んでもよい。グリッドの成長から生じた応力が投入されると、応力がウィークポイントに集ることで、フレームがこの点で破断することもある。このようにして、グリッドの成長が妨げられてもよく、応力がグリッド内で再方向付けされてもよい。ノッチ１１９が、フレーム要素１１８の外側から内向きに延伸するように示されているが、他の例示的な実施形態によれば、ノッチは、フレーム要素の内側から延伸するものであってもよいことに留意されたい。さまざまな例示的な実施形態によれば、フレームの側部、上部、および／または底部に沿ったさまざまな場所に、任意の適切な数のノッチまたはカットアウトが設けられてもよい。
図７Ａに示すように、フレーム要素の１つが、くぼみまたはへこみを含んでもよい。例えば、図７Ａに示す１つの例示的な実施形態によれば、グリッド１００の上部フレーム要素１１２は、くぼみ１１３を含む。上部フレーム要素１１２は、この点で効果的に湾曲される。グリッド１００が、腐食が原因となって垂直方向に成長すると、くぼみ１１３は、グリッドに応力が蓄積するために押し上げられる。上部フレーム要素１１２がくぼみを含むため、グリッドが上向きに延伸して、例えば、反対の極性のグリッドに接続されたストラップと接触する時間が長くなる。すなわち、くぼみの点にある上部フレーム要素が、上部フレーム要素の残りの部分と同一線上にないため、グリッドが成長すると、グリッドはまず上部フレーム要素の残りの方へと成長し、すなわち、垂直方向へグリッドが成長し続けるのは、この点を過ぎた後のみとなる。さまざまな例示的な実施形態によれば、フレームの側部、上部、および／または底部に沿ったさまざまな場所に、任意の適切な数のくぼみが設けられてもよい。
図７Ｂに示すように、上部フレーム要素の一部分が、上部フレーム要素の残りの部分に対してある角度をなして配設されてもよい。例えば、図７Ｂに示すように、上部フレーム要素１１２の一部分１１５が、下向きに傾斜をつけたり角度をもたせたり（例えば、斜面、先細など）される。図７Ａに対して上述したくぼみと同様に、上部フレーム要素１１２の傾斜構成は、グリッドが反対の極性のストラップと接触するために成長しなければならない時間量、延伸するように作用する。このような構成はまた、グリッドでの引っ張りを増ように作用することもあり、このような引っ張りの増大が、グリッド成長の一部を打ち消すように作用することもある。
図８に示すように、グリッドの角の１つ以上が、曲線的な形状で設けられてもよい。例えば、図８に示す１つの例示的な実施形態によれば、上部フレーム要素１１２を側部フレーム要素１１４に接続する曲線的な角１１７が与えられる。このような曲線的な形状は、応力を再方向付け、グリッドの成長方向を垂直方向から外れた方向に変えるように作用することもある。
図９に示すように、グリッド内に工学設計された緩衝ゾーン（「衝撃吸収ゾーン」と同様のもの）を形成するために、さまざまなワイヤが取り外されてもよい。従来のグリッド（例えば、図１に示すようなものなど）では、垂直方向ワイヤ部材が互いに同一線上にあり、例えば、上部フレーム要素から底部フレーム要素へ延伸する。その結果、垂直方向ワイヤの１つの成長が、同一線上にある他のワイヤへと移行することで、反対の極性のストラップの方へと上部フレーム要素を押しやるように作用する成長効果（例えば、図１に示すような）が付加されてしまうことになる。図９に示すような例示的な実施形態によれば、グリッドに途切れや不連続部があるように（例えば、ワイヤ１５４および１５６は、開いた空間１５２によって分離されている）、垂直方向ワイヤの１つ以上が取り外される。このようにして、開いた空間１５２は、（垂直方向ワイヤの成長を移行させて、グリッドの上部フレーム要素の移動を引き起こすのではなく）垂直方向ワイヤの成長が生じた場合にそれを受け入れる緩衝ゾーンとして作用する。このように、開いた空間１５２は、垂直方向への成長を「吸収」するように作用する。グリッド内のさまざまな所望の点に、任意の数の工学設計された緩衝ゾーンが設けられてもよい。
グリッドに対する上述した修正例を個別に記述してきたが、このような修正例の任意の１つ以上が、単一のグリッドにおいて利用されてもよいことに留意されたい。例えば、（例えば、図３に示すような）「ウィークリンク」と、（例えば、図５に示すような）「歪曲部」の両方が、単一のグリッドに設けられてもよい。グリッドの成長を管理するために、上述したような修正例の任意の他の組み合わせが利用されてもよい。
本願明細書に記載したものなどのグリッドを使用した電池の動作時、電池グリッド材料（鉛または鉛合金）が腐食すると、電池グリッドが成長する。グリッドが、電槽壁によって底部と側部で制約されてしまうため、成長の方向が、グリッドの上部に向かって垂直方向へと向いてしまう。グリッドの成長をそらしたり再方向付けたりするように意図された修正をグリッドに加えることで、電池の寿命が延びる場合がある。垂直方向へのグリッドの成長を低減するために、例えば、しきい値量の応力に達すると破断するように意図されたウィークポイントをグリッドに導入することによって、このような点で成長が妨げられ、または再方向付けられてもよい。グリッドの部分が、反対の極性を有する電池の特徴に電気的に結合された特徴と接触することで生じる短絡の発生を低減することによって、グリッドの成長を管理し、電池の寿命を延ばすために、グリッドに任意の種々の修正が加えられてもよい。
本願明細書を検討した人であれば、本願明細書に記載したグリッドデザインを使用することで、さまざまな利点が得られるであろうことを理解するであろう。例えば、１つの例示的な実施形態によれば、電池グリッドは、グリッド成長が原因の短絡に対する耐性を備えながら、所望の性能特性を提供する。電池グリッドは、腐食が原因のグリッドの成長を後退、抑制、または制限するように作用するように意図された特徴を含む。１つの例示的な実施形態によれば、電池グリッドは、（例えば、グリッドの腐食が原因の）グリッドの成長から生じることがある応力を吸収し、または再方向付けるように意図された１つ以上の修正例を含む。このようなグリッドデザインにより、従来の電池グリッドと比較して耐用寿命が強化された電池グリッド、ひいては、グリッドが設けられた電池を得ることが意図されている。
留意すべき重要な点は、さまざまな実施形態に示す電池グリッドの構造および構成が、説明的なものにすぎないということである。本発明のいくつかの実施形態しか、本願明細書において詳細に記載していないが、本願明細書を検討する当業者であれば、特許請求の範囲に列挙した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、多くの修正例が可能であることは容易に理解するであろう（例えば、さまざまな要素のサイズ、寸法、構造、形状および比、パラメータ値、取り付け方法、材料の使用量、向きなどの変更）。したがって、このような修正例はすべて、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲内に含まれることが意図されている。本発明の範囲から逸脱することなく、好ましい実施形態および他の例示的な実施形態のデザイン、動作条件、および構成に、他の代替、修正、変更、および省略が行われてもよい。
電池セルに短絡を生じさせる可能性のある腐食が原因の電池グリッドの成長を示す。 １つの例示的な実施形態による電池グリッドの平面図である。 腐食が原因のグリッドの成長全体を抑制するように意図された修正された構成を含む、図２に示すものに類似した電池グリッドの一部分の平面図である。 腐食が原因のグリッドの成長全体を抑制するように意図された修正された構成を含む、図２に示すものに類似した電池グリッドの一部分の平面図である。 腐食が原因のグリッドの成長全体を抑制するように意図された修正された構成を含む、図２に示すものに類似した電池グリッドの一部分の平面図である。 腐食が原因のグリッドの成長全体を抑制するように意図された修正された構成を含む、図２に示すものに類似した電池グリッドの一部分の平面図である。 腐食が原因のグリッドの成長全体を抑制するように意図された修正された構成を含む、図２に示すものに類似した電池グリッドの一部分の平面図である。 腐食が原因のグリッドの成長全体を抑制するように意図された修正された構成を含む、図２に示すものに類似した電池グリッドの一部分の平面図である。 腐食が原因のグリッドの成長全体を抑制するように意図された修正された構成を含む、図２に示すものに類似した電池グリッドの一部分の平面図である。 腐食が原因のグリッドの成長全体を抑制するように意図された修正された構成を含む、図２に示すものに類似した電池グリッドの一部分の平面図である。

Claims (16)

  1. 電池グリッドであって、
    上部要素と、底部要素と、第１の側部要素と、第２の側部要素とを含むフレームと、
    前記フレーム内に設けられ、複数の開口エリアを画定する複数のワイヤであって、複数のワイヤの各ワイヤが、ノードにあって他のワイヤセグメントに接合される複数のワイヤセグメントを含む複数のワイヤと、
    前記上部要素から第１の方向に延伸する集電ラグと、
    前記電池グリッドの寿命中に、前記電池グリッドが腐食することで前記第１の方向に前記電池グリッドが成長してしまう量を低減するように構成された、前記電池グリッドに設けられた少なくとも一つの成長低減特徴とを備え、
    前記少なくとも一つの成長低減特徴が、第１ノード近傍の第１部分と、第２ノード近傍の第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との中間に設けられる、前記ワイヤに所定量の応力がかかると破断するように構成されたウィークリンクとを有するワイヤセグメントを含む、
    電池グリッド。
  2. 前記少なくとも１つの成長低減特徴が、前記上部要素が前記第１の方向に移動する傾向を低減するように構成された、請求項１に記載の電池グリッド。
  3. 前記ウィークリンクが、前記第１の部分が前記第２の部分に対して互い違いになるように、前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられた第３の部分とを含む、請求項１に記載の電池グリッド。
  4. 前記ウィークリンクが、前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられ、前記第１の部分および前記第２の部分より断面積が小さい第３の部分とを含む、請求項１に記載の電池グリッド。
  5. 前記少なくとも一つの成長低減特徴が、第１ノード近傍の第１の全体的に線形な部分と、第２ノード近傍の第２の全体的に線形な部分と、前記第１及び第２の全体的に線形な部分の中間に設けられる歪曲部とを有するワイヤセグメントとを含む、請求項１に記載の電池グリッド。
  6. 前記歪曲部が、グリッドが腐食することで生じた応力を再方向付けるように構成された曲線的な部分を含む、請求項５に記載の電池グリッド。
  7. 前記上部要素、前記底部要素、前記第１の側部要素、および前記第２の側部要素の少なくとも１つに設けられたノッチをさらに含む、請求項１に記載の電池グリッド。
  8. 前記ノッチが、前記底部要素に設けられる、請求項７に記載の電池グリッド。
  9. 前記上部要素に設けられたくぼみを含む、請求項１に記載の電池グリッド。
  10. 前記くぼみが、前記フレーム内に設けられたワイヤの方へ内向きに湾曲する湾曲部分を含む、請求項９に記載の電池グリッド。
  11. 前記少なくとも１つの成長低減特徴が、前記フレームの前記上部要素の少なくとも一部分を含み、前記上部要素の少なくとも一部分が、前記側部要素と直角に交わらないように、前記ラグから前記側部要素の１つへ角度をつけられた、請求項１に記載の電池グリッド。
  12. 前記フレーム内に設けられた緩衝ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の電池グリッド。
  13. 前記複数のワイヤが、前記上部要素と前記底部要素との間に延伸する複数のワイヤを含み、前記緩衝ゾーンが、前記上部要素と前記底部要素との間に延伸する前記複数のワイヤの少なくとも１つに不連続部を含む、請求項１２に記載の電池グリッド。
  14. 前記上部要素と、前記第１の側部要素および前記第２の側部要素の少なくとも１つとの間にあり、前記グリッドの成長によって生じる応力を吸収するように構成された前記フレームの曲線的な角をさらに含む、請求項１に記載の電池グリッド。
  15. 前記電池グリッドの寿命中に、前記電池グリッドが腐食することで前記第１の方向に前記電池グリッドが成長してしまう量を低減するように構成された、前記電池グリッドに設けられた複数の成長低減特徴を備える、請求項１に記載の電池グリッド。
  16. 鉛蓄電池で使用するように構成された、請求項１に記載の電池グリッド。
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