(57)【要約】  エネルギー密度が増加したバイポーラ型鉛蓄電池が提供される。電池は、負極板および負極板上に配置された負極活物質を有する負極と、正極板および正極板上に配置された正極活物質を有する正極とを含む、複数の鉛蓄電池ウエハセルを含む。正極板は、チタン箔またはケイ化チタンコーティングを有する基板など、導電性膜を上に備える金属箔を含む。鉛蓄電池ウエハセルはまた、負極と正極との間にセパレータを含み、セパレータは、負極と正極との間で電荷を移動させるための電解質を含む。【選択図】図２
2021528821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラ型鉛蓄電池を形成するための鉛蓄電池ウエハセルであり、前記鉛蓄電池ウエハセルは、
負極であって、
負極板と、
前記負極板上に配置された負極活物質と、
を含む、負極と、
正極であって、
正極板と、
前記正極板上に配置された正極活物質と、
を含む、正極と、
前記負極と正極との間のセパレータであって、前記負極と正極との間で電荷を移動させるための電解質を含む、セパレータと、
を含み、
前記正極板は、上にケイ化チタンコーティングを有するチタン基板を含む、
鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項２】
前記正極は、前記正極板と前記正極活物質との間に、前記正極板と前記正極活物質との間の初期誘電効果を低下させる導電率促進材料の追加の層または積層物をさらに含む、
請求項１に記載の鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項３】
前記導電率促進材料は、四酸化鉛（Ｐｂ３Ｏ４）、二酸化鉛（ＰｂＯ２）、カリウム、過硫酸ナトリウム、および鉛酸バリウムのうちの１つ以上を含む、
請求項２に記載の鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項４】
前記負極板は、鉛被覆金属基板を含む、
請求項１に記載の鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項５】
前記金属基板は銅を含む、
請求項４に記載の鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項６】
前記鉛蓄電池ウエハセルは、６０Ｗｈ／ｋｇ以上のエネルギー密度を有する、
請求項１に記載の鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項７】
第１の内側金属層および第１のポリマー外層を含む第１の導電性積層体であって、前記第１のポリマー外層が、前記第１の内側金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有し、前記第１の導電性積層体が、前記負極の外面と電気的に接触している、第１の導電性積層体と、
第２の内側金属層および第２のポリマー外層を含む第２の導電性積層体であって、前記第２のポリマー外層が、前記第２の内側金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有し、前記第２の導電性積層体が、前記正極の外面と電気的に接触している、第２の導電性積層体と、
をさらに含み、
前記第１および第２の積層体は、前記負極および正極、前記セパレータ、ならびに前記電解質を含む包囲体を形成するために、互いに周辺がシールされている、
請求項１に記載の鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項８】
シールされた界面を提供するように、前記第１のポリマー外層と前記第１の内側金属層との間、および前記第２のポリマー外層と前記第２の内側金属層との間に配置されたアスファルトタールの層をさらに含む、
請求項７に記載の鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項９】
前記第１および第２のポリマー外層はそれぞれ、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ポリ塩化ビニル、およびそれらの混合物から選択されるポリマー材料で作られている、
請求項７に記載の鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項１０】
前記負極および正極、前記セパレータ、ならびに前記第１および第２の積層体のそれぞれは略平坦である、
請求項７に記載の鉛蓄電池ウエハセル。
【請求項１１】
隣接するセルの負の面に接触する各セルの正の面と電気的に直列に配置された少なくとも２つのセルのスタックを含み、前記セルのそれぞれは、
負極板および負極活物質を含む負極と、
正極板および正極活物質を含む正極と、
電解質を含む、前記電極間のセパレータと、
前記負極および正極ならびに前記セパレータを囲み、前記セル内に前記電解質を収容するように前記セルをシールするセル包囲体であって、隣接するセル間の電気的接続を提供する複数の穿孔をその中に含む、セル包囲体と、
を含み、
前記正極板は、上に導電性膜を備えた金属箔を含む、
バイポーラ型鉛蓄電池。
【請求項１２】
前記金属箔はチタン箔を含み、前記導電性膜はケイ化チタンコーティングを含む、請求項１１に記載のバイポーラ型鉛蓄電池。
【請求項１３】
前記正極は、前記正極板と前記正極活物質との間に、前記正極板と前記正極活物質との間の初期誘電効果を低下させる導電率促進材料の追加の層または積層物をさらに含む、
請求項１１に記載のバイポーラ型鉛蓄電池。
【請求項１４】
前記導電率促進材料は、四酸化鉛（Ｐｂ３Ｏ４）、二酸化鉛（ＰｂＯ２）、カリウム、過硫酸ナトリウム、および鉛酸バリウムのうちの１つ以上を含む、
請求項１３に記載のバイポーラ型鉛蓄電池。
【請求項１５】
前記負極板は、鉛被覆銅基板を含む、
請求項１１に記載のバイポーラ型鉛蓄電池。
【請求項１６】
前記バイポーラ型鉛蓄電池は、６０Ｗｈ／ｋｇ以上のエネルギー密度および１５０Ｗｈ／Ｌ以上の比エネルギーを有し、３００回の深放電サイクルの間、動作可能である、請求項１１に記載のバイポーラ型鉛蓄電池。
【請求項１７】
前記セル包囲体は、
第１の内側金属層および第１のポリマー外層を含む第１の導電性積層体であって、前記第１のポリマー外層が、前記第１の内側金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有し、前記第１の導電性積層体が、前記負極の外面と電気的に接触している、第１の導電性積層体と、
第２の内側金属層および第２のポリマー外層を含む第２の導電性積層体であって、前記第２のポリマー外層が、前記第２の内側金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有し、前記第２の導電性積層体が、前記正極の外面と電気的に接触している、第２の導電性積層体と、
を含み、
前記第１および第２の積層体は、前記セル包囲体を形成するために互いに周辺がシールされる、
請求項１１に記載のバイポーラ型鉛蓄電池。
【請求項１８】
前記第１のポリマー外層と前記第１の内側金属層との間、および前記第２のポリマー外層と前記第２の内側金属層との間に配置されたアスファルトタールの層をさらに含み、それらの間にシールされた界面を提供する、
請求項１７に記載のバイポーラ型鉛蓄電池。
【請求項１９】
前記少なくとも２つのセルのスタックを収容する電池ハウジングをさらに含み、前記少なくとも２つのセルのスタックは、前記電池ハウジング内に圧縮状態で保持される、
請求項１１に記載のバイポーラ型鉛蓄電池。
【請求項２０】
バイポーラ型鉛蓄電池セルの正極であって、前記正極は、
上にケイ化チタンコーティングを有するチタン基板を含む正極板と、
前記ケイ化チタンコーティングに隣接する前記正極板上に配置された正極活物質と、
前記正極板と前記正極活物質との間の初期誘電効果を低下させる、前記ケイ化チタンコーティングと前記正極活物質との間の酸化鉛材料の層または積層物と、
を含む正極。
【請求項２１】
前記酸化鉛材料は、四酸化鉛（Ｐｂ３Ｏ４）および二酸化鉛（ＰｂＯ２）のうちの１つを含む、
請求項２０に記載の正極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明における政府の権利
米国政府は、本発明において支払い済みのライセンスを有し、限られた状況において、米国陸軍ＴＡＲＤＥＣによって授与されたＷ５６ＨＺＶ−１６−Ｃ−００５９において規定される合理的な条件で他者にライセンスを与えることを特許所有者に要求する権利を有する。
【０００２】
本発明の実施形態は、一般に鉛蓄電池、より具体的には、所望のエネルギー密度、比エネルギー、および放電サイクル特性を有するバイポーラ型鉛蓄電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
さまざまな構成の鉛蓄電池は、始動照明点火（ＳＬＩ）、無停電電源装置（ＵＰＳ）、動力など、さまざま用途でよく知られている電源である。典型的な鉛蓄電池は、それぞれが正極および負極、セパレータ、ならびに電解質（たとえば、酸性水溶液）を含む複数の個別のセルを含む。電極には、主に鉛と機械的特性を改善する合金材料で構成されたグリッドが含まれ、正極および負極の活物質ペーストが電極グリッドに追加されて正極および負極を形成する。グリッドの２つの重要な機能は、活物質を機械的に支持することと、活物質との間で電流を流すことである。電極のそれぞれは、そこから上に延びるグリッドラグまたはタブをさらに含み、正極のラグは正のストラップを介して並列に接続され、負極のラグは負のストラップを介して並列に接続され、それにより個々のセルは、隣接するセルの正のストラップから負のストラップへ、またはその逆に、溶接または他の手段によってセル間コネクタを介してこれらの導電性リンクによって直列に接続される。次に、接続されたセルは、円筒形または角柱状のハウジングにパッケージ化されてマルチセル電池を形成し、エンドセルストラップは、電池カバーまたはケースを介して外部端子に終端処理される。
【０００４】
鉛蓄電池の上記の構造は、個々のセルコンパートメントの良好な密閉と信頼性の高い動作を提供する。しかしながら、そのような構造は、マルチセル電池の重量および体積の大部分を電流輸送およびパッケージ化に割り当てるので、セルの活性構成要素のエネルギー貯蔵能力を十分に活用していない。さらに、電池に導電性リンク（ラグおよび接続ストラップ）を含めると、電池の内部抵抗が増加する。したがって、パッケージの重量と体積、およびラグとストラップに起因する高レベルの内部抵抗により、重量と体積に基づいて、電池のエネルギー貯蔵容量と電力供給が制限される。さらに、鉛集電体／基板の重量が重いことと相まって、特に正極での活物質利用効率が低いことが、鉛蓄電池の実際の比エネルギーを制限することはよく知られている。
【０００５】
したがって、望ましいエネルギー密度、比エネルギー、および放電サイクル特性を有する鉛蓄電池を提供することが望ましく、そのような特性は、鉛集電体／グリッドを含む、電池中の非電気化学的に機能する金属鉛の除去、および端子とストラップの排除によって達成可能である。これらの材料／部品を排除することで、有効エネルギー貯蔵材料に使用する鉛蓄電池の体積と質量を増加させることができ、それによって、より高いエネルギー密度の鉛蓄電池が提供される。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の一態様によれば、バイポーラ型鉛蓄電池を形成するための鉛蓄電池ウエハセルが提供される。鉛蓄電池ウエハセルは、負極板及び負極板上に配置された負極活物質を有する負極と、正極板及び正極板上に配置された正極活物質を有する正極とを含む。正極板は、ケイ化チタンコーティングを備えたチタン基板を含む。鉛蓄電池ウエハセルはまた、負極と正極との間にセパレータを含み、セパレータは、負極と正極との間で電荷を移動させるための電解質を含む。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、バイポーラ型鉛蓄電池は、隣接するセルの負の面に接触する各セルの正の面と電気的に直列に配置された少なくとも２つのセルのスタックを含む。各セルはさらに、負極板及び負極活物質を有する負極と、正極板及び正極活物質を有する正極と、電解質を含む、電極間のセパレータと、負極および正極ならびにセパレータを囲み、セル内に電解質を収容するようにセルをシールするセル包囲体と、を含み、セル包囲体は、隣接するセル間の電気的接続を提供する複数の穿孔をその中に含む。各セルの正極板は、導電性膜を備えた金属箔を含む。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によれば、バイポーラ型鉛蓄電池セルの正極は、ケイ化チタンコーティングを有するチタン基板を含む正極板と、ケイ化チタンコーティングに隣接する正極板上に配置された正極活物質と、正極板と正極活物質との間の初期誘電効果を低下させる、ケイ化チタンコーティングと正極活物質との間の酸化鉛材料の層または積層物と、を含む。
【０００９】
以下の詳細な説明および図面から、他の様々な特徴および利点が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
図面は、本発明を実施するために現在企図されている好ましい実施形態を示している。
【００１１】
図面は以下を示す。
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による、鉛蓄電池ウエハセルの概略図である。
【００１３】
【図２】本発明の実施形態による、図１のウエハセルに含まれる正極の詳細図である。
【００１４】
【図３】本発明の実施形態による、図１のウエハセルに含まれる負極の詳細図である。
【００１５】
【図４】本発明の実施形態による、図１のウエハセルに含まれる外側ポリマー層の側面図である。
【００１６】
【図５】図１のウエハセルの断面図を示す。
【００１７】
【図６】本発明の実施形態による、鉛蓄電池を形成する図１のウエハセルのマルチセルスタックを示す。
【００１８】
【図７】本発明の実施形態による、外側バッテリハウジングに収容されるウエハセルのマルチセルスタックの３次元図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態は、所望のエネルギー密度、比エネルギー、および放電サイクル特性を有するバイポーラ型鉛蓄電池を対象とする。電池の各セルでは、非電気化学的に機能する金属鉛が除去され、これらの特性を実現するために、活性エネルギー貯蔵鉛の質量分率が増加する。さらに、導電性で、化学的および電気化学的に安定で耐久性のあるバイポーラ基板複合材料がセル内に提供され、正極および負極の活物質をサポートし、それらの間のセル間電子伝導性を提供する。
【００２０】
以下、図面を参照して、バイポーラまたは疑バイポーラ型鉛蓄電池について説明する。ここで図１を参照すると、バイポーラまたは疑バイポーラ型鉛蓄電池（以下、「鉛蓄電池」）の一部を形成する例示的な鉛蓄電池ウエハセル１０（以下、「セル１０」）の概略図が提供されている。セル１０は、負極１２および正極１４を含み、負極１２および正極１４はセパレータ１６によって互いに直接物理的に接触することが防止され、且つ負極１２および正極１４は２つの外層の間に収容されており、２つの外層は、負極１２および正極１４にそれぞれ電気的に接触する第１の導電性積層体１８および第２の導電性積層体２０である。電極１２、１４、それらの電極の間のセパレータ１６、及び２つの外側積層体１８、２０は、それぞれ略平坦であり、セル１０内の隣接する構成要素と密接に物理的に接触しており、それによって有利に薄いセルの構築を可能にする。
【００２１】
例示的な実施形態によれば、図２により詳細に示されるように、正極１４は、正極板２２および正極活物質２４を含む。正極板２２は、正極基板２８の表面に導電性膜２６を形成することにより得られる。例示的な実施形態によれば、正極基板２８はチタン製の薄い箔であり、導電性保護膜２６はケイ化チタン（ＴｉＳｉ２）（すなわち、ケイ化チタン層２６）で作られている。ケイ化チタン層２６の細孔のないコーティングは、例示的な実施形態による化学蒸着（ＣＶＤ）法によってチタン基板２８に設けられ得るが、米国特許出願第１３／６１７，１６２号に記載されている、ケイ化チタンが唯一の成分として噴霧されるか、または適切なバインダ（たとえば、ＰＶＤＦ）と混合される、乾式静電噴霧プロセスなどの他の適切な技術によっても設けられ得る。さらに他の実施形態によれば、ケイ化チタン層２６は、他の粉体コーティング、火炎噴霧、電気化学的堆積、アブレーションまたは変換技術を介して設けることができる。一実施形態によれば、チタン基板２８は０．１ｍｍの厚さを有し、正極活物質２４と接触するチタン基板２８の面上のケイ化チタン層２６は、好ましくは５０ｎｍ以上である。
【００２２】
一実施形態によれば、正極活物質２４は、主に二酸化鉛を含有し、活物質ペーストを製造することによって得られる板状活物質である。活物質ペーストは、鉛蓄電池の製造に使用される一般的な製造方法、たとえば鉛粉末、水、希硫酸を練り、化学変換と帯電を行うことで得られ、活物質ペーストは正極板２２の面に接触させながら配置される。一実施形態によれば、硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）もまた、細孔形成剤として活物質ペーストに添加され得る。
【００２３】
正極板２２と活物質２４との間の相互作用に関して、チタン基板２８およびケイ化チタン層２６から正極板２２を構築することにより、正極板２２と活物質２４との間に存在する誘電効果がもたらされ、活物質２４が形成され正極１４から放電するのを防止することができる。すなわち、活物質２４に隣接するチタン基板２８上にケイ化チタン層２６が存在することにより、正極１４の電圧を上昇させることができるが、そこから電流は出力されない。したがって、例示的な実施形態によれば、正極１４は、正極板２２と活物質２４との間に設けられる四酸化鉛（Ｐｂ３Ｏ４）の追加の層または積層物３０をさらに含む。四酸化鉛の層３０は、正極活物質２４と正極板２２との間に（すなわち、活物質ペーストとケイ化チタン層２６との間に）存在する初期誘電効果を破壊または低下させ、それによって正極活物質２４と正極板２２との間の初期導電率を改善するように機能する。
【００２４】
四酸化鉛は、正極活物質２４と正極板２２との間の導電性を促進するために、正極活物質２４と正極板２２との間の界面に設けられる例示的な層または積層物３０として上に挙げられているが、たとえば、二酸化鉛（ＰｂＯ２）、カリウム、過硫酸ナトリウム、または鉛酸バリウム（Ｂａｒｉｕｍ  ｍｅｔａｐｌｕｍｂａｔｅ）などの他の適切な材料を使用できることが認識されている。このような導電率促進層／積層物３０を含めることにより、正極活物質２４と正極板２２との間に（すなわち、活物質ペーストとケイ化チタン層２６との間に）存在する初期誘電効果が破壊または低下し、それによって正極活物質２４と正極板２２との間の初期導電率が改善される。
【００２５】
例示的な実施形態によれば、図３により詳細に示されるように、負極１２は、負極板３２および負極活物質３４を含む。負極板３２は、負極基板３８の表面に導電性膜または被覆３６を形成することにより得られる。例示的な実施形態によれば、負極基板３８は銅から作られ、導電性膜／被覆３６は、電気めっきされたピンホールのない鉛コーティング／堆積物であり、その結果、細孔のない鉛被覆銅負極板３２が提供される。代替の実施形態では、負極板３２は、鉛被覆チタン（すなわち、鉛被覆３６を備えたチタン基板３８）、グラファイト被覆ポリマーまたは担持ポリマーを含み得、コーティングは、乾式静電噴霧プロセスなどによって設けられる。一実施形態によれば、負極活物質３４と接触する負極基板３８の面上の鉛コーティング３６は、好ましくは０．１ｍｍである。
【００２６】
一実施形態によれば、負極活物質３４は、主にスポンジ状の金属鉛を含有する板状の活物質である。板状の活物質３４は、鉛粉末、水、希硫酸、炭素、硫酸バリウム、およびリグニンを練り、化学変換と帯電を行う鉛蓄電池の一般的な製造方法により得られる活物質ペーストを作ることで得られ、活物質ペーストは負極板３２の鉛メッキ面に接触させながら配置される。一実施形態によれば、硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）もまた、細孔形成剤として活物質ペーストに添加され得る。
【００２７】
ここで再び図１を参照すると、電極１２、１４は、電極１２、１４の縁を越えて延びるセパレータ１６を使用することによって、互いに直接物理的に接触するのを防ぐことができる。すなわち、セパレータ１６は、正極活物質２４と負極活物質２２との間に挿入される。セパレータ１６は、通常、ポリアミドまたはポリプロピレン繊維などの合成樹脂繊維でできている。セパレータ１６はまた、無機層または当技術分野で知られている他の適切なセパレータ材料を含むがこれらに限定されない材料で作ることができる。セパレータ１６は平坦であり、セル１０内の電解質または電解質溶液４０を吸収して収容するための多孔質構造を有し、電解質４０は、通常、主成分として希硫酸を含む。正極活物質２４、セパレータ１６、および負極活物質２２には、電解質４０が含浸されている。
【００２８】
電極１２、１４、およびセパレータ１６は、第１の導電性積層体１８および第２の導電性積層体２０を使用することによって、セル１０内に収容され得る。図１の実施形態に示されるように、第１の積層体１８は、第２の積層体２０と等しく且つ反対側にある。第１の積層体１８は、第１の内側金属層４２および第１のポリマー外層４４を含む。第１のポリマー外層４４は、図１および図４および図５の実施形態に示されるように、その中に少なくとも１つの穿孔４６または開口部を有し、第１の内側金属層４２を露出させ、セル１を通る導電のための接触点を提供する。同様に、第２の積層体２０は、第２の内側金属層４８および第２のポリマー外層５０を含む。第２のポリマー外層５０も、その中に少なくとも１つの穿孔５２を有し、第２の内側金属層４８を露出させ、セル１を通る導電のための接触点を提供する。図５に示されるように、穿孔４６、５２は、セルからセルへの最適な導電を提供するために、互いに整列され得る。
【００２９】
積層体の金属層４２、４８は、任意の金属材料で、様々な形状およびサイズで作ることができる。たとえば、金属層４２、４８は、それぞれ、負極１２および正極１４と同じサイズの薄い金属箔で作られており、図１および図５に示すように、それぞれの電極と位置合わせされている。複数の層を使用することもできる。金属層４２、４８に適した材料には、銅、アルミニウム、鋼、銀、ニッケル、およびそれらの混合物、当業者に容易に知られているめっき材料が含まれるが、これらに限定されない。箔の厚さは、設計仕様に応じて、またそのニーズを満たすために、実用的な限り薄く、たとえば、約０．０００３インチ〜約０．００５インチの間であり得る。
【００３０】
電気的接触を強化するために、導電性エポキシまたは当業者に容易に知られている他の適切な材料などの導電性ペーストまたはセメントを、各金属層とそれが接触しているそれぞれの電極との間に適用することができる。０．０００５〜０．００１インチの厚さの導電性セメントの薄層がこの目的に役立ち得る。
【００３１】
積層体の第１および第２のポリマー外層４４、５０は、ナイロンポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ポリ塩化ビニルおよびそれらの混合物を含むがこれらに限定されない任意の適切なポリマー材料から作られ得るか、または中間金属層（たとえば、アルミニウム）または他の酸素バリア層に挟まれた２つのポリマーから構成される複合層であり得る。ポリマー外層４４、５０の材料は、導電性である必要はない。したがって、この特徴の利点は、ポリマー外層の材料の選択がそのような要件に限定されないことである。一実施形態では、各層４４、５０は、厚さが約０．００１〜約０．００３インチの間のポリプロピレン膜の層である。各層４４、５０はまた、セル環境においてヒートシール可能であり、化学的に安定であり得る。
【００３２】
第１のポリマー外層４４を第１の内側金属層４２に貼り付けて、任意の適切なシール機構５４によって積層体１８を形成し、それにより、シールされた界面を作り出すことができる。同様に、第２のポリマー外層５０を第２の内側金属層４８に貼り付けて、任意の適切なシール機構５６によって積層体２０を形成し、それにより、シールされた界面を作り出すことができる。たとえば、適切なシール機構５４、５６には、アスファルトタール、ネオプレン、ゴム、エポキシ、セメント、およびそれらの組み合わせの結合剤の使用が含まれるが、これらに限定されない。
【００３３】
本発明の一実施形態では、セル１０からの電解質の潜在的な漏れ経路は、第１または第２の内側金属層４２、４８と、金属層の縁の周りの各第１または第２のポリマー外層４４、５０との間の界面に沿っており、穿孔４６、５２の最も近い位置へ続いている。効果的なシールを生成するために、セルの電解質環境で化学的に安定である適切な接触材料またはシーラントを、界面を覆うのに十分な約０．０００３〜０．００１インチなどの量で、穿孔４６、５２の縁の周りに適用することができ、それにより潜在的な漏れを防ぐ。例示的な実施形態によれば、シーラントはアスファルトタールを含むが、ネオプレン、ゴム、エポキシ、セメントおよびそれらの組み合わせなどの接触セメントを含む、他の適切なシーラントを使用できることが認識される。
【００３４】
電極１２、１４、電極１２、１４の間のセパレータ１６、および電解質４０を密閉セル１０内に収容するために、積層体１８、２０の第１および第２のポリマー外層４４、５０は、図１および図５に示されるように、隣接する電極の全周の周りに電極１２、１４よりも大きな物理的面積を有する。さらに、本発明の一実施形態では、それぞれ内側金属層４２、４８を超えて延びる第１および第２のポリマー外層４４、５０は、セル１０の周囲の周りにシールを提供するために有利には互いに貼り付けられる。プラスチック−プラスチックの接合部５８を形成することができる周囲に沿ったそのようなシールは、限定されないが、ヒートシーリング又はポリマー外層４４、５０の材料に結合するセメントまたはフィラー材料を利用することを含む任意の適切な既知の技術によって達成することができる。したがって、これは有利に、セル１０のための密閉された包囲体をもたらす。しかしながら、密閉セル１０は、水の電気分解によって充電中に酸素および水素ガスが生成され得るので、深／急速充電中に蓄積された過剰圧力を解放するために、１つ以上の通気口または逃し弁を備え得ることが認識される。
【００３５】
当業者はまた、セル１０を乾燥状態で製造することができ、真空充填または圧力充填のために積層体１８、２０の１つを介して充填ポートを設けることができ、次いで適切なパッチでシールすることができることを理解するであろう。この技術では、セル内の空気は、セルに設けられた充填ポートから吸引することができ、差圧は、電解質４０を電極１２、１４およびセパレータ１６の細孔に押し込む。あるいは、前述の周囲シールがセル１０に作製される前に、電極１２、１４およびセパレータ１６を、適切な量の電解質４０で事前に湿らせるか濡らしてもよい。たとえば、セル１０に導入される電解質の量は、電極１２、１４およびセパレータ１６の細孔容積の６０％〜９０％を満たすことができる。
【００３６】
本発明の一実施形態では、第１の導電性積層体１８は、図１および図５に示されるように、少なくとも１つの穿孔４６を介して負極１２の外面と電気的に接触している。同様に、第２の導電性積層体２０は、同じく図１および図５に示されるように、少なくとも１つの穿孔５２を介して正極１４の外面と電気的に接触している。したがって、穿孔４６、５２を含む積層設計は、有利には、隣接する１つ以上のセルから、セル１０の正の面および負の面に電気的接触を行うことを可能にする。穿孔４６、５２のサイズおよび間隔は、最適なシールおよび通電容量に関する複数の設計要素によって決定され得る。たとえば、配置は、穿孔４６、５２を箔の縁から少なくとも１／４インチに保つことである。サイズと穿孔の間隔は、セルの電気的要件によって決定できる。
【００３７】
上記のようなセルの構造は、従来の鉛蓄電池セルに比べて多くの利点を提供する。このセルは、電池内の非電気化学的に機能する金属鉛を排除し、軽量で漏れのないセルパッケージを備えたバイポーラセルを提供する。鉛メッキ銅負極と共に、正極にケイ化物セラミック材料（すなわち、ケイ化チタン）でコーティングされたチタンバイプレートを含むことにより、典型的な鉛蓄電池の電極に見られる腐食性の外部鉛（すなわち、鉛グリッド）に置き換わる安定した耐食性のベースが提供され、これにより、高いエネルギー密度を有し、主要な摩耗（故障）モードと積極的なグリッド腐食を排除する、活性で、エネルギーを蓄える鉛の質量分率が増加したセルが提供され、これにより電池寿命が延びる。正極板と正極活物質ペーストとの密着は、電極に四酸化鉛層または四酸化鉛積層物を含めることで可能になり、四酸化鉛は、もし四酸化鉛を含んでいなければケイ化チタンと正極活物質ペーストとの間に存在するであろう誘電体バリアを破壊する。
【００３８】
上記のセルの例示的な実施形態は、正極活物質を支持するケイ化チタンコーティングされたチタン基板および負極活物質を支持する鉛被覆銅基板を有するバイポーラセルを対象とするが、上記で特定された材料と比較して低下した性能を示すかもしれないとしても、他の基板およびコーティングをバイポーラセルで使用することができると認識される。例として、正極は、チタン、銅、アルミニウムもしくは他の金属基板、またはケイ化チタン、二酸化スズもしくは別の適切な導電性コーティング／保護膜でコーティングされた導電性ポリマー基板を含むことができ、一方、負極は、グラファイトが適切なポリマーバインダ（たとえば、ＰＶＤＦ）と混合される、銅もしくはチタンのグラファイトコーティングされた金属基板、またはグラファイトコーティングされた若しくはされていない担持ポリマー基板を含むことができる。
【００３９】
ここで図６を参照すると、本発明のマルチセル電池スタック６０（すなわち、鉛蓄電池６０）の実施形態がそこに示され、これは、複数のセル１０を積み重ねることによって作ることができる。セル１０は、隣接するセル１０の負の面に接触する各セル１０の正の面と直列に電気的に配置されている。この実施形態では、電池６０を通る導電経路は、有利には、電極から金属箔層、金属箔の内部を通って穿孔、そして穿孔を通ってスタック６０内の隣接するセル１０である。
【００４０】
電池スタック６０のエンドセルはまた、米国特許第５，３９３，６１７号に記載されているように、電池スタックから電池端子に電流を伝導するための金属箔接点を有し得る。セル間接触、または穿孔点におけるエンドセルと箔との間の接触は、導電性ペースト、セメント、または金属フィラーディスクなどの材料の使用によっても強化することができる。コンパクトなスタックアセンブリは、隣接するセル間および各セル内のそれぞれの層の間の均一な物理的接触を確実にするために、圧縮状態で保持され得る。スタックの圧縮は、たとえば米国特許第５，３９３，６１７号に記載されているように、スタックの周囲に巻き付けられた外部タイロッドを有する剛性エンドプレートによって、または個々のセルに設けられた封止穴を貫通する内部タイロッドを有することによって達成され得る。タイロッドとセルの導電性構成要素との間の漏れおよび電気的接触を防ぐために、穴をシールすることができる。
【００４１】
あるいは、スタックは、図７に示されるように、外側バッテリハウジング６２に収容され得る。電池スタック６０における電極の膨張および不規則性（凹凸）を許容するために、スタック６０は、金属箔接点の一方または両方と外部ハウジング６２のエンドプレートとの間のスポンジゴムの層によって圧縮状態で保持され得る。スポンジゴムの代わりに、ばねまたはガス充填圧縮性パッド６４若しくはブラダーを使用することもできる。同様に、電池６０は、セルスタックの軽量リッジ収容のためのハニカムプレートを備えたハウジングに収容され得る。たとえば、エンドプレートの重量を減らすために、軽量構造の設計の当業者によく知られているリブ付きの設計またはハニカムシートを使用することができる。また、セルスタックが密閉された外部ハウジングに収容されている場合、外部ハウジングはスタック圧縮を提供するように機能し得、ハウジングは密閉または通気され得る。
【００４２】
複数のセルはそれぞれ小さな複数の通気ポートを有することができ、セルは、電池ハウジングとして機能するシールされた容器に収容され得る。セルが通気されている場合、電池ハウジングには従来の圧力測定装置が備えられていてもよい。そのような装置は、圧力計、トランデューサ、および／または圧力スイッチであり得る。圧力測定装置は、電池圧力を監視し、充電サイクル中の充電電流の大きさと継続時間を調整するために使用することができる。充電電流のそのような調整は、本明細書では充電制御と呼ばれる。スタックはまた、セルの面全体にわたって均一な圧縮および接触を保証するために内部タイロッドを含み得る。密閉された容器は、内部ガスを排出するための圧力逃し弁をさらに有し得る。個々のセル１は、本明細書の説明に従って作ることができ、上記で論じた圧力計などの他の電池構成要素は、既知の方法を使用して作るか、当業者に知られている供給源から入手することができる。
【００４３】
熱伝達を改善するために、必要に応じて、追加の金属箔層（複数可）をセル間、またはセル間に周期的に配置することができる。あるいは、セルの縁を延長して、電池ハウジングの側壁への熱界面を改善することができる。たとえば、安定した熱動作のために、電池の動作中に発生した熱をバッテリの周囲から除去する必要がある。内部熱伝達を改善するために、必要に応じて、追加の金属箔層を、たとえば、金属層および／またはポリマー層に隣接してスタックに配置することができる。さらに、セルの縁を延長して電池ハウジングの側壁に接触させて、側壁への熱接触を確実にすることができる。
【００４４】
したがって、有益なことに、本発明の実施形態は、望ましいエネルギー密度、比エネルギー、および放電サイクル特性を有する鉛蓄電池ウエハセルおよびマルチセル鉛蓄電池を提供する。電池内のセル間にセル間電子伝導性を提供すると共に、正および負の活物質をサポートする、導電性で、化学的および電気化学的に安定で耐久性のあるバイポーラ基板複合材料をセルに含めることにより、従来達成可能な３０Ｗｈ／ｋｇの鉛蓄電池のエネルギー密度の増加を可能にする。本発明の実施形態は、セルレベルで、７０Ｗｈ／ｋｇのエネルギー密度、２００Ｗｈ／Ｌまでの比エネルギー、および５０回までの深放電サイクルを提供し、一方、セルをスケールアップおよび最適化すると、モジュール／電池レベルで、６０Ｗｈ／ｋｇのエネルギー密度、１５０Ｗｈ／Ｌの比エネルギー、および３００回の深放電サイクル（１２Ｖ  ６Ｔまたは２４Ｖ  ４Ｈのフォームファクタで）を提供することができる。したがって、ウエハセル構造（すなわち、その中の材料およびセル構造）で達成可能なエネルギー密度およびセル間の相互接続性は、既存の鉛蓄電池／電池の約２倍のエネルギー密度を提供し、１００Ｗｈ／ｋｇのエネルギー密度を達成可能であることが認識され、本発明による鉛蓄電池がリチウムイオン電池のエネルギー密度と競合することが可能である。
【００４５】
したがって、本発明の一実施形態によれば、バイポーラ型鉛蓄電池を形成するための鉛蓄電池ウエハセルが提供される。鉛蓄電池ウエハセルは、負極板および負極板上に配置された負極活物質を有する負極と、正極板および正極板上に配置された正極活物質を有する正極とを含む。正極板は、ケイ化チタンコーティングを有するチタン基板を含む。鉛蓄電池ウエハセルはまた、負極と正極との間にセパレータを含み、セパレータは、負極と正極との間で電荷を移動させるための電解質を含む。
【００４６】
本発明の別の実施形態によれば、バイポーラ型鉛蓄電池は、隣接するセルの負の面に接触する各セルの正の面と電気的に直列に配置された少なくとも２つのセルのスタックを含む。各セルはさらに、負極板および負極活物質を有する負極と、正極板および正極活物質を有する正極と、電極間のセパレータであって、電解質を含むセパレータと、負極および正極ならびにセパレータを囲み、セル内に電解質を収容するようにセルをシールするセル包囲体と、を含み、セル包囲体は、隣接するセル間の電気的接続を提供する複数の穿孔をその中に含む。各セルの正極板は、上に導電性膜を備えた金属箔を含む。
【００４７】
本発明のさらに別の実施形態によれば、バイポーラ型鉛蓄電池セルの正極は、上にケイ化チタンコーティングを有するチタン基板を含む正極板と、ケイ化チタンコーティングに隣接する正極板上に配置された正極活物質と、正極板と正極活物質との間の初期誘電効果を低下させる、ケイ化チタンコーティングと正極活物質との間の酸化鉛材料の層または積層物と、を含む。
【００４８】
この書面による説明は、例を使用して、最良のモードを含む本発明を開示し、また、任意のデバイスまたはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含む、当業者が本発明を実施できるようにする。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に生じる他の例を含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言とほとんど異ならない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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