SE526127C2 - En packning, ett bipolärt batteri och en metod för tillverkning av ett bipolärt batteri med en sådan packning - Google Patents

Description

526 127 Emellertid använder stängda bipolära utformningar vanligtvis platta elektroder och en konstruktion av staplade celler som är strukturellt dålig för inneslutande av närvarande gaser och sàdana som genereras under cellens drift. I en stängd konstruktion måste gas som genereras under laddning kemiskt rekombinera inom cellen för stabil drift. Kravet pà tryckinneslutning åstadkommer ytterligare utmaningar i utformningen av en stabil bipolär konfiguration.

Nya krav inom området för transporter, kommunikationer, medicinska och kraftverktyg genererar specifikationer som nuvarande batterier inte kan möta. Dessa innefattar högre cykelliv och behovet för snabb och effektiv àteruppladdning.

NiMH-system ses som alternativet för att möta livscykel, men kostnader för nuvarande konventionella tillverkningar är för hög.

I US 5,344,723 av Bronoel et al., beskrivs ett bipolärt batteri som har en gemensam gaskammare, vilken skapas genom att tillhandahålla en öppning genom biplàten (ledande support/separator). Öppningen är även försedd med en hydrofobisk barriär för att förhindra passering av elektrolyt genom hàlet. Fastän problemet med tryckskillnaden mellan cellerna löses är det fortfarande en nackdel med det beskrivna batteriet. Den yttre tätningen runt kanten av varje biplàt måste fortfarande vara vätsketät, vilket är mycket svårt att uppnå. Om den yttre tätningen inte är vätsketät kan elektrolyten, som finns i separatorn mellan elektroderna och i elektroderna, migrera från en cell till en annan.

I den publicerade Internationella patentansökningen WO 03/02602 Al, överlåten till föreliggande sökande, föreslås en 72550 översättningdoc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526127 annan lösning, jämfört med lösningen som beskrivs i US 5,344,723 där en hydrofobisk barriär introduceras kring elektroderna istället för kring öppningen i biplàten. En tryckutjämningsventil är även introducerad för att förhindra ett alltför högt tryck att byggas upp inuti höljet. De är emellertid ganska dyrt att tillverka ett bipolärt batteri med denna utformning och det är därför ett behov att konstruera ett nytt bipolärt batteri som har mindre antal komponenter och som använder mindre komplicerade bearbetningssteg för att tillverka ett bipolärt batteri.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en packning som kommer att förenkla tillverkningsprocessen av ett bipolärt batteri.

Detta syfte uppnås genom särdragen i den kännetecknande delen av patentkravet 1.

Det är ett ytterligare syfte att tillhandahålla ett bipolärt batteri som är enkelt att tillverka.

Detta syfte àstadkoms genom särdragen i den kännetecknande delen av patentkravet ll. Ännu ett ytterligare syfte med uppfinningen att tillhandahålla en metod för tillverkning av ett bipolärt batteri, som använder packningen som är enklare jämfört med kända metoder.

Detta syfte uppnås genom särdragen i den kännetecknande delen av patentkravet 26. 72550 korrígerade kramdoc; 2004-12-15 lO 15 20 25 30 526 127 En fördel med föreliggande uppfinning är att mer energi kan lagras i batteriet jämfört med batterier enligt känd teknik, eftersom packningen fungerar som en hydrofobisk barriär, en trycktät tätning och tillhandahåller medel till att skapa ett gemensamt gasutrymme inuti batteriet. Detta i sin tur gör det möjligt att mer effektivt använda det tillgängliga utrymmet och större elektroder kan användas jämfört med batterier enigt känd teknik.

Andra fördelar är att föreliggande uppfinning tillhandahåller ytterligare kostnads- och monteringsfördelar jämfört med anordningar enligt känd teknik.

Ytterligare syften och fördelar hos föreliggande uppfinning kommer att vara uppenbara för fackman inom området fràn den följande detaljerade beskrivningen av det beskrivna bipolära elektrokemiska batteriet och biplâtssammansättningen.

Kortfattad beskrivning av ritningar De olika utföringsformerna visade i de bifogade ritningarna är inte skalenliga eller proportionerliga, utan överdrivna för att klargöra olika viktiga särdrag för tydlighets skull.

Figur 1 visar en första utföringsform av en packning enligt föreliggande uppfinning.

Figur 2a och 2b visar tvärsnittsvyer av packningen i figur 1.

Figur 3 visar en andra utföringsform av en packning enligt föreliggande uppfinning.

Figur 4a och 4b visar tvärsnittsvyer av packningen i figur 3. 72550 översâttningdoc; 2004-09-22 10 F15 20 25 30 526 127 Figur 5 visar en tredje utföringsform av en packning enligt föreliggande uppfinning.

Figur 6a och 6b visar tvärsnittsvyer av packningen i figur 5.

Figur 7 visar en tvärsnittsvy av ett bipolärt batteri enligt uppfinningen.

Figur 8 visar en perspektivvy av ett batteri enligt uppfinningen tillhandahàllen med justerbara polanslutningar.

Figur 9a till 9c visar tre olika anordningar för vakuumfvllning av ett bipolärt batteri med ett gemensamt gasutrymme.

Figur 10 visar ett första flödesschema för tillverkning av ett bipolärt batteri enligt uppfinningen.

Figur ll visar ett andra flödesschema för tillverkning av ett bipolärt batteri enligt uppfinningen.

Figur 12 visar ett flödesdiagram för fyllning av ett bipolärt batteri med elektrolyt.

Figur 13 visar ett flödesdiagram för formeringen av ett bipolärt batteri.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Den huvudsakliga fördelen med den bipolära utformningen är enkelhet och làga motstàndsförluster. Antalet delar hos batteriet är relativt lågt och består endast av ändplàtar och 72550 korrigerad sv.doc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 5.26 127 biplátar, med lämplig sammansättning av elektroder, separatorer och elektrolyt och tätningskomponenter. Batterier av en önskad spänning konstrueras genom att stapla det erforderliga antalet biplàtar. De elektriska anslutningarna mellan cellerna görs när batteriet staplas, eftersom varje biplät är elektriskt ledande och ogenomtränglig för elektrolyt.

Med polerna vid varje ände flödar strömmen vinkelrätt mot plåtarna, vilket säkerställer likformig ström och spännings- distribution. Eftersom strömvägen är relativt kort är spänningsfallet väsentligt reducerat.

Bipolära batterier kommer även att ha väsentligt reducerad vikt, volym och tillverkningskostnader på grund av elimineringen av komponenter och tillverkningssättet.

Det huvudsakliga problemet med bipolära batterier är att tillhandahålla en pålitlig tätning mellan cellerna inom det bipolära batteriet.

Olika lösningar till detta problem har beskrivits i de publicerade internationella patentansökningarna WO 03/009413, WO 03/026055 och WO 03/026042, och i de pågående icke~ publicerade US-ansökningarna 10/434167 och 10/434168, alla överlàtna till föreliggande sökande, och härmed införlivade genom hänvisning.

Tätningen av en cell är av extrem viktighet för alla typer av batterier och bipolära batterier är inget undantag.

Individuella celler innehåller de aktiva materialen (för NiMH- batterier är det positiva nickelhydroxid respektive det negativa metallhydrid-vätelagringsförening), separator och 72550 översâttningdoc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 127 elektrolyt. Elektrolyten i separatorn krävs för jontransport mellan elektroderna och separatorn tillhandahåller isolering för ledningen av elektriskt strömflöde mellan elektroderna.

Den bästa utformningen, optimerad för långt liv, vikt och volym, kräver rekombination av gaser.

Batterier producerar alltid gaser när de laddas.

Utgasningshastigheten ökar när batteriet närmar sig full laddning, och när sitt maximum när det är fulladdat. Gaserna vilka produceras är först och främst syre och väte.

För nickelbaserade bipolära batterier, såsom NiMH och NiCd, kommer syre att rekombineras relativt snabbt med tillgängligt aktivt material i den negativa elektroden. Batterier är normalt utformade så att syre kommer att vara den första gasen som genereras om cellen överladdas. Detta kräver två åtgärder: l) Överbyggnad av det negativa aktiva materialet, i allmänhet med 30%, för att säkerställa att den positiva elektroden, som kommer att gasa ut syre vid laddning, kommer att vara den första att gasa ut. 2) Att tillhandahålla gaspassager från den positiva till den negativa elektroden, i ett batteri med en begränsad mängd elektrolyt (utsvultet), där syret kommer att rekombinera.

Gaspassagerna erhålls genom att styra mängden elektrolyt inom porerna hos elektroderna och genom separatorn. Alla ytor hos elektroden måste vara täckta av ett tunt lager elektrolyt för jontransporten, men lagret mäste vara tillräckligt tunt för att tillåta gasdiffusion genom lagret, och måste tillåta gaspassager genom de aktiva lagren och separatorn. 72550 översättning. doc; 2004 - 09 -22 10 15 20 25 30 526 127 Den negativa elektroden skulle gasa ut väte om den överladdas.

Eftersom gasformig väte inte rekombinerar snabbt skulle trycket inuti cellen byggas upp. Syrerekombinationen laddar effektivt ur den negativa vid samma hastighet som den laddas, och sålunda förhindras överladdning av den negativa.

Ytomràdet hos det aktiva materialet, kombinerat med den likformiga spänningsdistributionen hos den bipolära utformningen, förbättrar snabb rekombination.

För tydlighets skull definieras ett utsvultet elektrolyt- batteri som en väsentligen fuktig men inte vàt konstruktion, i motsats till översvämmat batteri såsom ett typiskt blybatteri för bil..

Det bipolära sättet kommer att säkerställa att spänningsfallet över de aktiva materialen kommer att vara likformig i alla områden, så att hela elektroden kommer att bli fulladdad vid samma tidpunkt. Detta kommer att eliminera det största problemet i konventionella konstruktioner, där delar av en elektrod överladdas och gasar medan andra (avlägsna) områden hos elektroden inte ännu är fullt laddade.

Cellerna i vanliga batterier tâtas för att innesluta elektrolyten bàde för riktig funktion hos cellen, och för att förhindra elektrolytvägar, dvs. kontinuerliga joniskt ledande vägar, mellan närliggande celler. Närvaron av elektrolytvägar mellan cellerna kommer att möjliggöra att elektrolytanslutna celler urladdas vid en hastighet som bestäms av vägens motstånd (längden av vägen och tvärsnittet av vägen).

Tätningarna på bipolära batterier är mer viktig eftersom elektrolytvägen är potentiellt mycket kortare. Det bör noteras att en viktig egenskap av denna beskrivning är användandet av 72550 översâttningdoc; 2004-09-22 lO 15 20 25 30 526 127 en packning med en integrerad elektrolytbarriär för att minimera eller eliminera ledningsförmågan hos någon potentiell jonisk ledningsväg. En ytterligare angelägenhet är mängden av värme som genereras vid drift av cellen. Beroende på storleken av värmen som genereras måste utformningen kunna avge värmen och bibehålla en säker driftstemperatur.

Om en elektrolytväg utvecklas mellan cellerna kan ett litet mellancellulärt läckage övervinnas med periodisk fulladdning av batteriet. Batteriet kan överladdas genom en bestämd mängd och vid en låg hastighet. Den låga hastigheten kommer att tillåta fullt laddade celler att rekombinera gaser utan att generera tryck och avge värmen från rekombinationen/över- laddningen. Cellerna som har liten mellancellulär elektrisk* låckageväg skulle bli balanserade.

Det är sällan nödvändigt att ett batteri är fullt laddat för att åstadkomma dess användbara funktion. Batterier är rutinmässigt överspecificerade och överbyggda. Om en drift kräver 50 AH (amperetimmar), är kravet vanligtvis specificerat åtminstone 10% högre. Eftersom batterier förlorar kapacitet över deras livstid är kapaciteten hos ett nytt batteri ökat med den förväntade förlusten vilket resulterar i möjligtvis ett 70 AH-krav för ett nytt batteri i detta exempel. Till- verkaren kommer troligtvis att ha ett medelutformningsmål på 75 AH för att tillåta variationer i tillverkningsprocessen.

Mycket av denna överbyggnad är för att kompensera livs- kapacitetsdegenereringen som orsakas av överladdning.

En väsentlig egenskap i de nya bipolära batterierna är skapandet av ett gemensamt gasutrymme inuti batteriet. Medlet för att åstadkomma ett gemensamt gasutrymme för alla celler i ett bipolärt batteri innefattar en packning som har en 72550 ÖVSISåCIZninQJIOC; 2004-09-22 lO l5 20 25 30 526 127 10 förutbestämd form. Packningen är anordnad mellan närliggande biplàtar och/eller en biplàt och en ändplàt, såsom beskrivs nedan. Packningen är företrädesvis tillverkad med en termoplastisk elastomerlösning som skapar en tätning med biplàten under tryck. En eller flera gaskanaler gjuts in i ramen som säkerställer gasläckagevägen. När flera packningar staplas på varandra, såsom beskrivs i anslutning till figur 7, kommer ett gemensamt gasutrymme att skapas som eliminerar tryckskillnaderna mellan cellerna i ett bipolärt batteri.

Figur 1 visar en första utföringsform av en packning 10 enligt uppfinningen. Packningen 10 är tillverkad i ett hydrofobiskt material som har deformerbara egenskaper, säsom en elastomer eller annat material som åstadkommer en kontinuerlig tätning vid deformation, för att möjliggöra funktionen som en tätning.

Packningen har företrädesvis elastiska egenskaper, och ett lämpligt material är en termoplastisk elastomer.

Termoplastiska elastomerer kan erhållas från olika tillverkare, till exempel Engage® 8407 tillgänglig från DuPont Dow Elastomers, DYNAFLEX® G2780-001 tillgänglig från GLS Corp. eller KRATON“ G-7705 tillgänglig fràn Kraton" Polymers.

Packningen är företrädesvis strängsprutad in i den önskade storleken och formen.

Packningen 10 tillhandahålls med en fals 11 vid kanten av den övre sidan och en motsvarande fördjupning lå pà den motsatta sidan. Falsen ll och fördjupningen 12 kommer att tillhandahålla upplinjering av packningarna när de staplas pà varandra i ett monterat batteri, se figur 7§ Falsen tjänar dessutom till att upplinjera biplàten relativt packningen.

Packningen är dessutom försedd med ett genomgående hàl 13 och ett spår 14 för att ansluta det genomgående hålet 13 till utrymmet inuti packningen 10 när en biplàt monteras till 72550; översättning. doc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 127 ll packningen. Det genomgående hålet 13 och spåret 14 tillhandahåller en gaskanal mellan närliggande celler i det monterade batteriet, och de hydrofobiska egenskaperna hos packningen förhindrar elektrolyt att skapa en joniskt ledande väg mellan närliggande celler. Packningen har sålunda fyra syften vid montering: 1) att förhindra elektrolyt från att skapa en joniskt ledande väg (läckage) mellan närliggande celler i ett bipolärt batteri, 2) att tillhandahålla en gaskanal mellan närliggande celler för att skapa ett gemensamt gasutrymme inuti ett bipolärt batteri, 3) att tillhandahålla en yttre trycktätande tätning för cellerna i ett bipolärt batteri, och 4) att tillhandahålla en elektriskt isolerande stödstruktur mellan biplåtarna och mellan biplåtarna och ändplåtarna.

Figur 2a visar en tvärsnittsvy av packningen i figur 1 utefter A-A, och figur 2b visar en tvärsnittsvy av packningen i figur 1 utefter B-B. Närvaron av en andra packning 10' indikeras i figuren för att ytterligare visa hur falsen 11 avses att mottas i fördjupningen när den monteras i ett batteri.

En biplåt 15 visas med en streckad linje i figurerna 1, 2a och 2b för att indikera positionen av en biplåt 15 i ett monterat bipolärt batteri. Det bör noteras att biplåten inte får blockera öppningen hos det genomgående hålet 13 för att tillhandahålla det gemensamma gasutrymmet, men en del av spåret 14 måste täckas av en biplåt 15 för att förhindra 72550 korrigerad sv.doc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 127 12 elektrolytläckage mellan cellerna. En biplàt med ett hål upplinjerat med hålet i packningen kan alternativt användas för att tjäna syftena som listas här.

Figur 3 visar en partiell vy av en andra utföringsform av en packning 20 enligt uppfinningen. Packningen 20 är försedd med en fals 11 och en motsvarande fördjupning 12, såsom beskrivits ovan. Packningen är försedd med två ganska små genomgående häl 21, där varje har ett spår 22 för att ansluta det genomgående hålet 21 till utrymmet innanför packningen såsom tidigare beskrivits i anslutning till figur 1. En biplät 15 är även visad med en streckad linje för att indikera positionen av en biplât 15 i ett monterat bipolärt batteri. För att förhindra att bipláten blir fel inriktad under monteringen av batteriet är den försedd med ett styrorgan 23, såsom en klack, på packningen 20. Det bör noteras att det är fördelaktigt att klacken är utformad på ett sådant sätt att en passage kan åstadkommas mellan de två genomgående hälen utanför bipláten i varje cell. I denna utföringsform kan klacken inte sträcka sig hela vägen från bipláten till falsen.

Figur 4a är en tvärsnittsvy utefter A-A i figur 3 och figur 4b är en tvärsnittsvy utefter B-B i figur 3. Nàrvaron av en andra packning 20' indikeras i figuren för att ytterligare visa hur falsen ll är avsedd att tas emot i fördjupningen 12 när den är monterad i ett batteri.

Figur 5 visar en partiell vy av en tredje utföringsform av en packning 30 enligt uppfinningen. Packningen 30 är försedd med en fals 11 och en motsvarande fördjupning 12, såsom beskrivits ovan. Packningen är försedd med fem ganska smä genomgående hål 31, där varje har ett spår 32 för att ansluta det genomgående 31 till utrymmet inuti packningen såsom tidigare beskrivits i 72550 översâttningdoc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 127 13 anslutning till figur 1. En biplàt 15 visas även med streckade linjer för att indikera positionen av en biplàt 15 i ett monterat bipolärt batteri. För att förhindra att biplàten blir fel upplinjerad under monteringen av batteriet finns flera styrorgan 33, såsom klackar, tillhandahällna på packningen 30.

Det bör noteras att det är fördelaktigt att klackarna är ut- formade pà ett sådant sätt att en passage kan etableras mellan de fem genomgående hälen bredvid biplàten i varje cell. I denna utföringsform är klackarna lägre än biplàtens tjocklek.

Figur 6a är en tvärsnittsvy utefter A-A i figur 5, och figur 6b är en tvärsnittsvy utefter B-B i figur 5. Närvaron av en andra packning 30' indikeras i figuren för att ytterligare visa hur falsen 11 är avsedd att tas emot i fördjupningen 12 vid monteringen i ett batteri.

Det kan vara fördelaktigt, men nödvändigtvis tvunget, att ändra utformningen av packningen i kontakt med ändplattorna för att bättre kapsla in och täta mot ändplattorna. Ändplattorna kan ha en annan storlek än biplàtarna, så att packningen kan behöva anpassas till olika storlekar.

Figur 7 visar ett bipolärt batteri 40 i tvärsnitt som har fem celler. Batteriet innefattar en negativ ändplät 41 och en positiv ändplàt 42, där var och en har en negativ elektrod 43 respektive en positiv elektrod 44. Fyra biplàtsammansättningar, som innefattar en negativ elektrod 43, en biplàt 15, och en positiv elektrod 44 är staplade pà varandra i en sandwichstruktur mellan de tvá ändarnas poler.

En separator 45 är anordnad mellan varje närliggande negativ och positiv elektrod som utgör en cell där separatorn 45 innehåller en elektrolyt och ett förutbestämt procenttal av 72550 översättning . doc; 2004 - 09 -22 lO 15 20 25 30 526 127 14 gaspassager, kring 5% är ett typiskt värde för gaspassager i utsvultna elektrolytbatterier.

En packning 10, såsom beskrivits i anslutning med figur 1, tillhandahàlls mellan närliggande biplàtar och/eller en biplát och en ändplàt. Såsom indikeras i figuren av pilarna 46 kan gas flyta från en cell till en annan och därigenom delar alla celler ett gemensamt gasutrymme genom gaspassagerna i packningen. Om en elektrod i en cell börjar att gasa innan de andra, kommer detta tryck att distribueras utöver hela det gemensamma gasutrymmet. Gasen kommer att passera från en cell, genom ett spår 14 och via ett genomgående häl 13 hos en första packning till ett spar 14 hos en andra packning, och därefter in i en andra cell.

Om trycket inuti det gemensamma utrymmet överstiger ett förutbestämt värde kommer en tryckutjämningsventil 47 att öppna för att ansluta det gemensamma gasutrymmet med omgivningen. Tryckutjämningsventilen 47 är anordnad genom en av åndplåtarna, i detta exempel den negativa ändplåten 41, och innefattar en genomföring 48. I en alternativ utföringsform kan genomföringen 48 vara integrerat formad i ändplåten 41.

Dessutom kan en trycksensor (inte visad) även vara monterad genom en av åndplåtarna för att mäta det verkliga trycket inuti battericellerna. Höljet 49 är företrädesvis tillverkat av ett isolerande material, men kan naturligtvis vara tillverkat av ett ledande material. Varje ram är företrädesvis tillverkad av ett isolerande material och utformad på ett sådant sätt att elektrisk isolering säkerställs mellan varje biplàt 15 och ett möjligtvis ledande hölje. Packningen 10 är försedd med en nedsänkning 50 där bipláten och den positiva ändpolen 42 år placerade under tillverkning och bibehålls 72550 översättning .doc ; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 127 15 under drift genom att lägga pà ett tryck som indikeras av pilarna 51. Nedsänkningen 50 är utrymmet mellan två packningar som kommer att etableras när fördjupningen 12 och falsen ll hos packningen är i kontakt.

Trycket bibehålls genom att fixera ett lock 52 till höljet 49 med hjälp av någon typ av fastsättningsanordning 53, såsom skruvar, och kommer att säkerställa att varje cell har en förutbestämd bredd, som är ungefär lika med den komprimerade höjden av packningen 10. Alternativt kan locket 52 fixeras i position med hjälp av flera andra standardorgan, inkluderande krympning, friktionspassning, epoxi, värmetâtning eller lösningsmedel, beroende på batterihöljets konstruktion och batteritillämpningskriteriet.

Det bör noteras att det kan finnas ett utrymme mellan utsidan av packningen 10 och den inre ytan av höljet 49 eftersom packningen själv tillhandahåller den trycktäta tätningen för batteriet. Höljet 49 med locket 52 tillhandahåller en praktisk lösning för att åstadkomma det erforderliga trycket för att etablera den trycktäta tätningen mellan packningarna och biplåtarna och de positiva och negativa ândplàtarna.

Säkerhetsventiler och trycksensorer är redan tillgängliga för en fackman inom området och beskrivs inte i mer detalj.

Varje ändplàt är försedd med en polanslutning. Polanslutningen innefattar en polgenomföring 54, vilken företrädesvis är fäst till höljet 49 med friktionspassning. Varje polgenomföring 54 är ansluten till varje ändplåt 41 respektive 42, genom lödning, limning, svetsning etc. för att etablera en god elektrisk kontakt. Polgenomföringen är i denna utföringsform försedd med interna gängor. Skruvar 55 kan användas för att 72550 översättning . doc; 2004 - 09 -22 10 15 20 25 30 526 127 16 ansluta vilken typ av polanslutningar som helst till batteriet.

Det bör noteras att fastän figur 7 visar ett bipolärt batteri som har en negativ ändplát 41 anordnad i den nedre delen av batteriet är denna egenskap inte väsentlig för batteriets konstruktion. De negativa och positiva polernas position hos batteriet är utbytbar genom att byta positionen av alla negativa och positiva elektroder med varandra i batteriet.

Funktionen hos batteriet kommer fortfarande att vara densamma.

Figur 8 visar en perspektivvy av ett batteri enligt uppfinningen försedd med justerbara polanslutningar 60. En polanslutning 60 är ansluten till varje ändplàt av batteriet via polgenomföringen 54, genom att använda en skruv 55. Varje polanslutning kan riktas antingen till den korta sidan av batteriet eller till den långa sidan av batteriet.

Polanslutningen som är markerad med ett ”P” (positiv pol) är riktad till den korta sidan av batteriet och polanslutningen är böjd pà ett sådant sätt att den yttre änden 61 av polanslutningen 60 kan föras in i ett spàr 62 anordnat i höljet 49 hos batteriet när polanslutningen är fäst till polgenomföringen 54 med hjälp av skruven 55. Polanslutningen är sålunda fäst till höljet.

Den andra polanslutningen märkt ”N” (negativ pol) är i denna figur riktad mot den långa sidan av batteriet och fäst på samma sätt till höljet 49. Varje polanslutning kan roteras till en annan position, säsom indikeras med pil 63.

Dessutom finns en möjlighet att bädda in polanslutningarna i höljet genom att tillhandahålla en sänka i höljet, såsom indikeras av de streckade linjerna 64, för att tillåta nära 72550 översâttningdoc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 1127 l7 stapling av batterier utan risken för kortslutning av polanslutningarna. Polanslutningarna kan även förses med någon typ av isolerande material, till exempel röd för den positiva polanslutningen och svart för den negativa polanslutningen.

Positionen hos spåren 62 pà varje sida av höljet är företrädesvis förskjutna, för att möjliggöra användningen av samlingsskeneanslutning.

Figurerna 9a till 9c visar tre olika anordningar för att vakuumfylla ett bipolärt batteri. I vanliga fall är ett NiMH- batteri fyllt vid monteringen av batteriet och detta kan naturligtvis även utföras med denna typ av batteri, men det är möjligt att använda vakuumfyllningstekniker för att introducera elektrolyt in i det fârdigställda batteriet. Figur 9a visar en första fyllningsanordning 70, där ett bipolärt batteri 40 är placerad inuti en vakuumkammare 71 tillsammans med en bägare 72 med elektrolyt (till exempel 6M KOH). En slang 73, företrädesvis flexibel, är ansluten till genomföringen 48 hos trycksäkerhetsventilen 47. En vakuumledning 74 är ansluten till vakuumkammaren 71 och därefter avdelad till tvâ grenar, där en första gren är försedd med en första ventil V1 i serie med en vakuumpump P, och den andra grenen är försedd med en andra ventil V2.

Proceduren för att vakuumfylla ett batteri innefattar följande steg: 1) Öppna ventilen V1 och lät pump P evakuera luften inuti vakuumkammaren 71. Luften inuti batteriet 40 kommer även att evakueras genom ledningen 73, vilket kan ses såsom bubblor i elektrolyten. 72550 översàttningxioc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 127 18 2) Stäng ventil V1 när ett önskat vakuumtryck har erhállits inuti vakuumkammaren 71. 3) Öppna ventilen V2 för att öka trycket inuti vakuumkammaren 71 genom att tillåta omkringliggande luft att flyta in i kammaren. Det ökande trycket inuti kammaren kommer att trycka elektrolyt in i batteriet 40 och sakta fylla separatorerna och tomrummen inuti batteriet med elektrolyt.

Elektrolyten sugs in i batteriet med hjälp av kapillärkrafter.

Figur 9b visar en andra fyllningsanordning 80 där ett bipolärt batteri 40 även är placerat inuti en vakuumkammare 71 tillsammans med en bägare 72 med elektrolyt (till exempel 6M KOH). En ledning 73, företrädesvis flexibel, är ansluten till genomföringen 48 hos trycksäkerhetsventilen 47. En andra öppning 81 in i det gemensamma gasutrymmet tillhandahålls i höljet av batteriet. Öppningen kan användas för att anordna en trycksensor efter det att elektrolyten har introducerats i batteriet. En vakuumledning 74 är ansluten till vakuumkammaren 71 och en ventil V1 tillhandahålls i serie med en vakuumpump P.

Luft kommer att evakueras fràn batteriet genom öppningen 81 när ventilen V1 är öppen och vakuumpumpen P minskar trycket inuti vakuumkammaren 71. När luften evakueras från batteriet kommer elektrolyten att introduceras från bägaren 72, genom ledningen 73 och in genom genomföringen 48 hos trycksäkerhetsventilen 47. Ventilen V1 stängs när tillräcklig elektrolyt har introducerats i batteriet. Vakuumkammaren 71 ventileras och batteriet, nu fyllt med elektrolyt, kan tas ur.

Figur 9c visar en tredje fyllningsanordning som inte innefattar en vakuumkammare. Genomföringen 48 hos 72550 översättning . doc; 2004 ~ 09-22 10 15 20 25 30 526 127 19 trycksäkerhetsventilen 47 hos flera batterier 40 kan anslutas till ett gemensamt grenrör 91. Grenröret 91 är anslutet till en första ventil V1, vilken är i serie med en vakuumpump P. En ledning 92 (eller rör) nedsänks i en behållare 93 fylld med elektrolyt. Ledningen 92 är ansluten till grenröret via en andra ventil V2. Anordningen fungerar pà följande sätt. Pumpen kommer att evakuera luften inuti alla batterier 40 när ventilen V1 öppnas. Ventilen V1 stängs när ett tillräckligt lågt tryck har uppnåtts. Ventilen V2 öppnas därefter och elektrolyten kommer att distribueras till alla batterier 40 genom grenröret. Elektrolyten distribueras inuti varje batteri genom att använda kapillärkrafter.

Tillverkningsprocessen för att tillverka ett bipolärt batteri beskrivs i anslutning med figurerna 10, 11, 12 och 13.

Det första flödesdiagrammet visat i figur 10 beskriver processen för att tillverka ett bipolärt batteri, såsom beskrivits i anslutning till figur 7 upp till ett batteri utan någon elektrolyt, dvs. ett torrt batteri. Flödet startar i steg 101 och fortsätter parallellt till steg 102 och 103. I steg 102 monteras en genomföring 48 för trycksäkerhetsventilen 47 till den första ändpláten 41, och i steg 103 monteras en polgenomföring 54 till det icke-ledande höljet 49.

Den första ändplàten 41 vilken är monterad med en genomföring 48 för trycksäkerhetsventilen monteras i höljet 49 som är försett med polgenomföringen 54 i steg 104. Polgenomföringen 54 är därefter ansluten till den första ändplàten 41 i steg 105, genom att använda någon metod som beskrivits ovan.

Det önskade antalet battericeller M väljs därefter i steg 106 och en räknare sätts till O, k=0. I steg 107 ökas räknaren med 72550 översâttningdoc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 127 20 1, k=k+1 och flödet fortsätter till steg 108 där cell nr ”k” monteras, dvs. en packning 10, 20, 30 såsom tidigare besk- rivits i anslutning till figurerna 1 till 6 monteras inuti höljet 49 runt kanten av àndplåten 41, en första elektrod 43 placeras inuti packningen ovanpå den första ändplàten 41, en eller flera separatorer 45 anordnas därefter ovanpå den första elektroden 43 och en andra elektrod 44 anordnas ovanpå separatorn inuti packningen. Packningen kan alternativt monteras efter det att elektroderna och separatorerna har monterats inuti höljet 49.

Flödet fortsätter till steg 109, där ett beslut fattas om antalet valda celler M har tillverkats. Om svaret är ”nej” àterkopplas flödet till punkt 111 via steg 110 där en biplåt monteras ovanpå packningen. Flödet upprepar steg 108 och 109 till dess det valda antalet celler har tillverkats.

När k=M fortsätter flödet till steg 112 där locket 52 hos höljet 49 förses med en polgenomföring 54 och en andra ändplåt 42 monteras till locket 52. Polgenomföringen 54 fästs därefter till den andra ändpláten i steg 113, genom att använda någon av metoderna beskrivna ovan.

Locket 52 monteras till höljet 49 i steg 114 och ett tryck läggs på locket 52 i steg 115 i en riktning 51 som tidigare beskrivits i anslutning till figur 7. Ett torrt bipolärt batteri är därefter avslutat i steg 116.

Processen att stapla batterikomponenter ovanpå varandra för att skapa det rätta antalet battericeller kan naturligtvis utföras pá ett antal olika sätt. Till exempel kan biplåtssammansättningar tillhandahållas där varje innefattar en första elektrod ansluten till en första sida av en biplàt 72550 översättningdoc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 127 21 och en andra elektrod ansluten till den andra sidan av en biplát, där den första sidan är motstàende till den andra sidan, där separatormaterialet adderas i àterkopplingsloopen i stället för biplàten såsom visas i figur 10. Det är även möjligt att materialet i varje cell förtillverkas och varje staplas under monteringsprocessen av batteriet.

Figur 11 är ett flödesdiagram som beskriver processen att producera ett funktionellt batteri från det torra batteriet som erhålls i steg 116 i figur 10. Flödet startar i steg 116 och fortsätter till steg 117 där batteriet fylls med elektrolyt. Fyllningsprocessen beskrivs mer i detalj i anslutning till figur 12.

En formeringsprocedur utförs därefter i steg 118 för att initialisera batteriet till normal drift. Denna formeringsprocedur beskrivs mer i detalj i anslutning till figur 13.

När formeringen är färdigställd sätts locket 52 fast till höljet 49 i steg 119 och trycket som tidigare lagts pà locket släpps. Det är naturligtvis möjligt att först släppa pà trycket och därefter àterkomprimera locket till höljet, sätta fast locket 52 till höljet 49 och därefter släppa pà trycket.

Alternativt fästa locket mellan steg 115 och 116 i den torra batterisammansättningsproceduren.

Monteringen av trycksäkerhetsventilen färdigställs i steg 120 och det färdiga batteriet kan valfritt cyklas i steg 121 innan batteriet är redo för att levereras, steg 122.

Det bör emellertid noteras att det är möjligt att fylla batteriet med elektrolyt under tillverkningen av varje cell i 72550 översåttningdoc; 2004-09-22 10 15 20 25 30 526 127 22 steg 108, men utifrån en tillverkningssynvinkel är fyllningsprocessen, såsom beskrivs i figur 12, mycket enklare att implementera.

Processen för att fylla batteriet i steg 117 innefattar anslutning av en elektrolytbehållare 72, 93 till en ingång 48 hos ett batteri 40, till exempel genomföringen 48 hos trycksäkerhetsventilen 47, se steg 130.

Luften i batteriet evakueras därefter från batteriet i steg 131, antingen direkt eller indirekt genom att placera batteriet i en vakuumkammare 71 som evakueras. En separat utgång 81 för luften är möjlig men ingången 48 för elektrolyten kan användas såsom en luftutgàng under evakueringsproceduren.

Elektrolyten introduceras in i batteriet 40 i steg 132 efter det att luften har evakuerats från batteriet eller under evakueringen beroende på utrustningskonfigurationen som används, se figur 9a till 9c. Elektrolyten distribueras inuti separatorerna 45 inuti batteriet 40 genom att använda kapillärkrafter.

Ett batteri fyllt med elektrolyt erhålls i steg 133.

Formeringsprocessen av batteriet i steg 118 innefattar två steg, där det första steget är uppladdnings- och urladdningscykler av batterierna under våta förhållanden. De våta förhållandena tillhandahålls i steg 140 med anslutning av en vätskebehàllare till ingången 48 hos batteriet. Vätskan kan antingen vara vatten eller elektrolyt. 72550 översâttningdoc; 2004~09-22 10 15 20 526 127 23 Åtminstone tvà laddnings-/urladdningscykler ”n” utförs därefter i steg 141.

Steg tvà är utförd under mer eller mindre torra förhållanden genom att ta bort våtsketillförseln från ingång 48 i steg 142, och därefter utföra ett förutbestämt antal uppladdnings- /urladdningscykler för att torka ut batteriet 40 från överskottselektrolyt i steg 143.

Ett utsvultet batteri är sålunda producerat.

Fastän specifikationen endast visar ett NiMH-bipolärt batteri skall det noteras att samma teknologi kan appliceras när man producerar valfri typ av nickelbaserat bipolärt batteri, såsom nickelkadmium-(NiCd)~bipolära batterier, eller nickelzink- (NiZn)-bipolära batterier.

Packningen som definieras i bifogade krav skall inte vara begränsade till användning i NiMH-bipolära batterier, utan skall inkludera valfri typ av bipolärt batteri som har en utsvulten elektrolytkonfiguration. 72550 översättning .doc; 2004-09-22

Claims (32)

10 15 20 25 30 PATENTKRAV

1. En packning (10; 20; 30) för användning i ett utsvultet bipolärt batteri (40), där nämnda packning är tillverkad av ett hydrofobiskt material för att förhindra uppkomsten av en elektrolytväg mellan närliggande celler när den är monterad i ett batteri, där packningen ytterligare innefattar: - en ram vilken är utformad för att åtminstone delvis omsluta en biplàt (15) när den är monterad i ett bipolärt batteri (40), och - organ (l3,14; 21,22; 31,32) för att tillåta gaspassage genom packningen (10; 20; 30), kännetecknad av att nämnda packning är tillverkad av ett material vilket har deformerbara egenskaper för att tillhandahålla en tätning till en biplåt (15) vid montering i ett bipolärt batteri (40), varigenom en trycktät förslutning av batteriet erhålls.

2. Packningen enligt patentkravet 1, kännetecknad av att organet för att tillàta gaspassage genom packningen (10; 20; 30) innefattar åtminstone en kanal (13, 14; 21, 22; 31, 32) som sammankopplar närliggande celler vid montering i ett batteri (40).

3. Packningen enligt patentkravet 2, kännetecknad av att varje kanal innefattar ett hål (13; 21; 31) i packningen (10; 20; 30), där hålet är i kontakt med insidan av den yttre trycktäta förslutningen i varje cell vid montering i ett batteri (40).

4. Packningen enligt patentkravet 1, kännetecknad av att styrorgan (11; 23; 33) är tillhandahällna i packningen (10; 72550 korrigerade krav.doc; 2004-12-15 10 15 20 25 30 '526 25 127 20; 30) för att styra positionen av bipláten (15) under montering av ett bipolärt batteri (40).

5. Packningen enligt patentkravet 4, kännetecknad av att styrorganen innefattar åtminstone en klack (23; 33).

6. En packning enligt patentkravet 4, kännetecknad av att styrorganen innefattar falsen (11) hos packningen (10).

7. Packningen enligt patentkravet 1, kännetecknad av att organen (13,14; 21,22; 31,32) för att tillàta gaspassage är anordnade pà en distal ände av ramen.

8. Packningen enligt patentkravet 1, kånnetecknad av att materialet med deformerbara egenskaper är elastiskt.

9. Packningen enligt patentkravet 1, kännetecknad av att materialet är en termoplastisk elastomer.

10. Packningen enligt patentkravet 8, kånnetacknad av att packningen är tillverkad genom en strängsprutningsprocess.

11. ll. Ett utsvultet bipolärt batteri (40) som har åtminstone två elektrokemiska celler innefattande: - ett hölje (49), - en negativ ändplàt (41) i kontakt med en negativ elektrod (43), ~ en positiv ändplàt (42) i kontakt med en positiv elektrod (44), - åtminstone en uppsättning av en negativ elektrod (43), en biplàt (15) och en positiv elektrod (44) anordnade i en 72550 korrigerade krav.doc; 2004-12-15 10 15 20 25 30 526'127 26 sandwichstruktur mellan nämnda negativa (41) och positiva (42) ändplàtar, och - åtminstone en separator (45) anordnad mellan varje negativ (43) och positiv (44) elektrod som utgör en battericell, där nämnda separator inkluderar en elektrolyt, kännetecknad av att - en packning (l0; 20; 30) i form av en ram, tillverkad av ett hydrofobiskt material, är anordnad mellan nämnda varje biplàt (15) och/eller biplàt (15) och ändplàt (41,42), varigenom nämnda packning (l0; 20; 30) förhindrar en elektrolytväg frän en cell till en annan cell, och - packningen (l0; 20; 30) är tillverkad av ett material med deformerbara egenskaper för att tillhandahålla en tätning till varje biplàt (15) och varje ändplàt (41, 42), där en yttre trycktät förslutning av batteriet (40) erhålls inuti höljet (49), och - packningen (l0; 20; 30) är ytterligare försedd med organ (13, 14; 21, 22; 31; 32) att tillåta gaspassage mellan närliggande celler genom packningen (l0; 20; 30) vilket därigenom skapar ett gemensamt gasutrymme för alla celler i batteriet (40).

12. Batteriet enligt patentkravet 11, kännetecknad av att organen för att tillåta gaspassage genom packningen innefattar åtminstone en kanal (13, 14; 21, 22; 31; 32) som sammankopplar närliggande celler.

13. Batteriet enligt patentkravet 12, kännetecknad av att varje kanal innefattar ett häl (13; 21; 31) i packningen, där nämnda häl är i kontakt med insidan av den yttre trycktäta förslutningen i varje cell. 72550 korrigerade krav.doc; 2004-12-15 10 15 20 25 30 526 '127 27

14. Batteriet enligt patentkravet 11, kännetecknad av att styrorgan (11; 23; 33) tillhandahålls i packningen (10; 20; 30) för att styra positionen av biplàten (15) under monteringen av ett bipolärt batteri (40).

15. Batteriet enligt patentkravet 14, kännetecknad av att styrorganen innefattar åtminstone en klack (23; 33).

16. Batteriet enligt patentkravet 14, kännetecknad av att styrorganet innefattar falsen (11) hos packningen (10).

17. Batteriet enligt patentkravet 11, kännetecknad av att organen (13, 14; 21, 22; 31; 32) för att tillåta gaspassage är anordnade pà en distal ände i ramen.

18. Batteriet enligt patentkravet 11, kännetecknad av att materialet med deformerbara egenskaper är elastiskt.

19. Batteriet enligt patentkravet 11, kännetecknad av att materialet är en termoplastisk elastomer.

20. Batteriet enligt patentkravet 18, kännetecknad av att packningen är tillverkad genom en strängsprutningsprocess.

21. Batteriet enligt patentkravet 11, kännetecknad av att batteriet är något i gruppen: NiMH, NiCd eller NiZn.

22. Batteriet enligt patentkravet 11, kännetecknad av att batteriet (40) är försett med en positiv och en negativ polanslutning (60) som är i kontakt med den positiva (42) respektive negativa (41) ändplàten, där polanslutningarna (60) är justerbart anordnade till höljet (49). 72550 korrigerade kramdoc; 2004-12-15 10 15 20 25 30 526 127 28

23. Batteriet enligt patentkravet 22, kännetecknad av att en första ände av varje polanslutning (60) är anordnad att anslutas till varje ändplàt (41, 42), och en andra ände, distal från den första änden, är anordnad att fästas till höljet (49) hos batteriet (40).

24. Batteriet enligt patentkravet 23, kånnetecknad av att varje polanslutning (60) är fäst till respektive ändplàt (41, 42) via en genomföring (54), vilken är fäst i höljet (49).

25. Batteriet enligt patentkravet 23, kännetecknad av att den andra änden av varje polanslutning (60) är böjd, och fäst till höljet (49) genom att införa den böjda delen (61, 64) i ett av ett eller flera spår (62) anordnade i höljet (49).

26. En metod för tillverkning av ett bipolärt batteri (40) med utsvulten elektrolyt, innefattande stegen: - att tillhandahålla positiva elektroder (44), separatorer (45), negativa elektroder (43) och biplàtar (15) för att konstruera ett önskat antal battericeller inuti ett hölje (49), anordnade mellan en positiv ändplát (42) och en negativ àndplàt (41), - att tillhandahålla en positiv tillträdespunkt (54, 55) till den positiva ändplàten (42) och en negativ tillträdespunkt (54, 55) till den negativa ândplàten (41), kännetecknad av att metoden innefattar följande steg: - att tillhandahålla en packning (10; 20; 30), sàsom definieras av nàgot av kraven 1 till 9, mellan varje biplàt (15) och/eller biplát (15) och varje ändplàt (41, 42) för att skapa ett gemensamt gasutrymme inuti batteriet (40), - att tillhandahålla en passage (48) till det gemensamma gasutrymmet från utsidan av batteriet, 72550 korrigerade krav.doc; 2004-12-15 10 15 20 25 30 ' '526 127 29 - att komprimera alla packningar (l0; 20; 30) anordnade mellan den positiva ändplåten (42) och den negativa ândplàten (41) för att tillhandahålla en yttre trycktät förslutning av batteriet (40) och för att förhindra formeringen av elektrolytvägar mellan närliggande celler, och - att fylla separatorerna (45) med elektrolyt.

27. Metoden enligt patentkravet 26, kännetecknad av att metoden ytterligare innefattar ett formeringssteg efter det att separatorerna (45) har fyllts, vilken formering innefattar åtminstone två laddnings- och urladdningscykler.

28. Metoden enligt patentkravet 27, kännetecknad av att formeringssteget innefattar stegen: - laddning och urladdning av batteriet (40) med ett vätskeförràd anslutet till passagen (48), och - laddning och urladdning av batteriet (40) utan ett vätskeförràd anslutet till passagen för att ta bort överskott av vätska från batteriet (40).

29. Metoden enligt patentkravet 28, kånnetecknad av att vätskan är vald att vara vatten och/eller elektrolyt.

30. Metoden enligt patentkravet 26, kânnetecknad av att steget att fylla separatorerna (45) med elektrolyt innefattar: - att ansluta en elektrolytbehàllare till passagen (48) till det gemensamma gasutrymmet, - att evakuera luft fràn det gemensamma gasutrymmet, - att fylla elektrolyt i det gemensamma gasutrymmet, och - att överföra elektrolyt till separatorerna (45) från det gemensamma gasutrymmet. 72550 korrigerade kramdoc; 2004-12-15 10 ëè6'127 30

31. Metoden enligt patentkravet 30, kännetecknad av att luften evakueras från det gemensamma gasutrymmet genom passagen (48) innan elektrolyten fylls in i det gemensamma gasutrymmet.

32. Metoden enligt patentkravet 30, kännetecknad av att luften i det gemensamma gasutrymmet evakueras genom att använda en öppning (81) som är separerad från passagen (48), varigenom elektrolyten introduceras i det gemensamma gasutrymmet under evakueringen. 72550 korrigerade krav.doc; 2004-12-15