(57)【要約】  電気化学貯蔵デバイスが、複数の層電極であって、各層電極は第１の帯電セクタ及び第２の帯電セクタを含み、第２の帯電セクタは第１の帯電セクタと比べて逆極性に帯電し、複数の層電極は、複数の層電極の第１の電極板の第１の帯電セクタが第１の電極板の直ぐ上に位置する複数の層電極の第２の電極板の第２の帯電セクタの下方に存在するように互いに組み立てられ、第１の電極板及び第２の電極板の第１の帯電セクタの電荷は第１の符号を有し、第１の電極板及び第２の電極板の第２の帯電セクタの電荷は、第１の符号とは逆である第２の符号を有する、複数の層電極と、第１の電極板の第１の帯電セクタと第２の電極板の第２の帯電セクタとの間に位置し、その間でイオン電荷交換を可能にする隔離板とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
渦巻き形電気化学貯蔵デバイスであって、前記デバイスは、
セルスタックを含む円柱形セルパックであって、前記セルスタックは、前記円柱形セルパックを形成するために、平坦な構成から丸められるセルストリップを含む、円柱形セルパックと、
前記円柱形セルパックを収容するための円柱形ケースとを備える、渦巻き形電気化学貯蔵デバイス。
【請求項２】
前記セルスタックは、前記円柱形セルパック内に含まれる複数のセルスタックのうちの第１のセルスタックであり、前記複数のセルスタックは直列に接続される、請求項１に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項３】
前記セルスタックは正の半電極ストリップと、負の半電極ストリップと、隔離板半部品ストリップとを含む複数のストリップを含み、前記複数の半ストリップは互いに重ね合わせられて、前記セルスタックを形成する、請求項１に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項４】
中央マンドレルを更に備え、前記セルスタックは前記中央マンドレルの回りで丸められる、請求項１に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項５】
渦巻き形電気化学貯蔵デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
平坦なセルストリップを配設することと、
前記平坦なセルストリップを円柱形セルスタックの形に丸めることと、
前記円柱形セルスタックを正の端子及び負の端子に接続することと、
前記円柱形セルスタックを円柱形ケースに挿入することとを備える、渦巻き形電気化学貯蔵デバイスを製造する方法。
【請求項６】
前記平坦なセルストリップは複数のセルストリップのうちの第１のセルストリップであり、前記方法は、
複数のセルストリップを水平に置き、前記複数のセルスタックを形成することと、
前記複数のセルスタックを直列に接続することと、
前記複数のセルスタックを丸めて、前記円柱形セルパックを形成することとを更に備える、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記セルスタックは、正の半電極ストリップと、負の半電極ストリップと、隔離板半部品ストリップとを含む複数のストリップを含み、前記方法は前記複数の半ストリップを互いに重ね合わせて、前記セルスタックを形成することを備える、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
中央マンドレルを配設することと、
前記中央マンドレルの回りで前記平坦なセルストリップを丸めて、前記円柱形セルスタックを形成することとを備える、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
電気化学貯蔵デバイスであって、
電気化学セルパックであって、前記電気化学セルパックはタブにおいて終端する、電気化学セルパックと、
金属シートから形成される電力バスであって、前記電力バスは前記タブをデバイス端子に電気的に接続し、前記電力バスは前記金属シートを前記タブに溶接することによって前記タブに取り付けられる、電力バスとを備える、電気化学貯蔵デバイス。
【請求項１０】
前記金属シートは超音波溶接によって前記タブに取り付けられる、請求項９に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項１１】
前記金属シートを折り曲げて、上面、前面及び背面を形成し、前記上面は前記デバイス端子に電気的に接続され、前記前面は前記タブの回りに溶接される、請求項９に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項１２】
前記タブは複数のタブのうちの１つのタブであり、前記電力バスは前記金属シートを前記対応するタブに溶接することによって前記複数のタブのそれぞれに取り付けられる、請求項９に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項１３】
前記電力バスは異なる点において異なる固有抵抗を有し、前記複数のタブのそれぞれと前記デバイス端子との間に平衡した全抵抗を与える、請求項１２に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項１４】
前記電力バスは、異なる点において異なる厚みを有することによって、異なる点において異なる固有抵抗を有する、請求項１３に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項１５】
前記電力バスは、前記電力バスの幾つかの場所に穴を形成することによって、異なる点において異なる固有抵抗を有する、請求項１３に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項１６】
電気化学貯蔵デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
電気化学セルパックを配設することであって、前記電気化学セルパックはタブおいて終端する、配設することと、
平坦な金属シートを含む電力バスセクションを配設することと、
前記平坦な金属シートを折り曲げ、前記タブに溶接することと、
前記電力バスをデバイス端子に電気的に接続することとを備える、電気化学貯蔵デバイスを製造する方法。
【請求項１７】
前記平坦な金属シートを前記タブに溶接することは、前記金属シートを前記タブに超音波溶接することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記金属シートを折り曲げることは、上面、前面及び背面を形成することを含み、前記上面は前記デバイス端子に電気的に接続され、前記前面は前記タブの回りに溶接される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記タブは複数のタブのうちの１つのタブであり、前記電力バスは前記金属シートを前記対応するタブに溶接することによって前記複数のタブのそれぞれに取り付けられる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
異なる場所において前記電力バスの固有抵抗を変更することによって前記複数のタブのそれぞれと前記デバイスとの間に平衡した全抵抗を与えることを更に備える、請求項１９に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項２１】
異なる点において前記電力バスの固有抵抗を変更することは、異なる点において前記電力バスの厚みを変更することを含む、請求項２０に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項２２】
異なる点において前記電力バスの固有抵抗を変更することは、前記電力バスの幾つかの場所に穴を形成することを含む、請求項２０に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項２３】
電気化学貯蔵デバイスであって、
複数の層電極であって、各層電極は第１の帯電セクタ及び第２の帯電セクタを含み、前記第２の帯電セクタは前記第１の帯電セクタと比べて逆極性に帯電し、前記複数の層電極は、前記複数の層電極の第１の電極板の前記第１の帯電セクタが前記第１の電極板の直ぐ上に位置する前記複数の層電極の第２の電極板の前記第２の帯電セクタの下に存在するように互いに組み立てられ、前記第１の電極板及び前記第２の電極板の前記第１の帯電セクタの電荷は第１の符号を有し、前記第１の電極板及び前記第２の電極板の前記第２の帯電セクタの電荷は、第１の符号と逆である第２の符号を有する、複数の層電極と、
前記第１の電極板の前記第１の帯電セクタと前記第２の電極板の前記第２の帯電セクタとの間に位置し、かつその間でイオン電荷交換を可能にする隔離板セクタとを備える、電気化学貯蔵デバイス。
【請求項２４】
前記第１の電極板の前記第２の帯電セクタは前記第２の電極板の前記第１の帯電セクタの下に存在し、前記電気化学セルは、前記第１の電極板の前記第２の帯電セクタと前記第２の電極板の前記第１の帯電セクタとの間に位置し、その間のイオン電荷交換又は伝導電荷交換を防ぐ絶縁体セクタを更に備える、請求項２３に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項２５】
前記複数の層電極はそれぞれ円形である、請求項２３に記載の電気化学貯蔵デバイス
【請求項２６】
各セクタは前記対応する層電極の約半分のサイズの半円形の形状を有する、請求項２４に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項２７】
前記複数の層電極の各電極板は前記対応する電極板の前記第１の帯電セクタ及び前記第２の帯電セクタを収容するフレームを更に備える、請求項２３に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項２８】
前記複数の層電極を覆うための第１のキャップ及び第２のキャップを更に備える、請求項２３に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項２９】
前記第１の帯電セクタと前記第２の帯電セクタとの間に導電性接続を与えるための導電性基板を更に備える、請求項２３に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項３０】
前記複数の層電極はそれぞれ長方形の形状を有する、請求項２３に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項３１】
各セクタは前記対応する層電極の約半分のサイズの半長方形の形状を有する、請求項３０に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項３２】
電気化学貯蔵デバイスであって、
共通のケーシング内に配置され、それぞれアノード及びカソードを備える第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルであって、前記第１の電気化学セルの前記アノードは前記第２の電気化学セルの前記カソードと向かい合わせに配置される、第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルと、
前記第１の電気化学セルの前記アノードと前記第２の電気化学セルの前記カソードとの間に配置される隔離板であって、前記第１の電気化学セルの前記アノード及び前記第２の電気化学セルの前記カソードは、電気的に絶縁され、前記隔離板内に吸着されるイオン伝導性媒体を通して連通する、隔離板と、
前記第１の電気化学セルの前記アノード及び前記第２の電気化学セルの前記カソード上に配置される共通集電器であって、前記第１の電気化学セル及び前記第２の電気化学セルは電気的に接続され、イオン伝導しないように絶縁され、前記第１の電気化学セル及び前記第２の電気化学セルのイオン分離はシャント電流を軽減する、共通集電器とを備える、電気化学貯蔵デバイス。
【請求項３３】
前記集電器は、実質的に均一な集電を提供し、均一な電流密度を与える、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記アノードと前記カソードとの間の前記共通集電器の部分に配置される疎水性コーティングを更に備える、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記第１の電気化学セル及び前記第２の電気化学セルをイオン伝導しないように絶縁するように構成される物理障壁を更に備える、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３６】
１つの正の端子接続及び１つの負の端子接続を更に備える、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３７】
２つ以上の電気化学セルのアノード及びカソードを実質的に同じ面内に配置するための絶縁フレームを更に備える、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３８】
前記導電性基板はアモルファス材料から形成される、請求項２９に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項３９】
前記導電性基板は、前記第１のセクタから前記第２のセクタを指す方向に延在する細長い直線ワイヤを含む金網である、請求項２９に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項４０】
長方形の複数の層電極はそれぞれ、前記第１のセクタから前記第２のセクタを指す方向における幅と、前記幅に対して垂直であり、かつ前記幅より長い長さとを有する、請求項３０に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【請求項４１】
内部セクションと、基部と、挿入体とを更に備え、前記内部セクションは前記複数の層電極及び前記隔離板を含み、前記基部は前記電気化学デバイスの外面を形成するように構成され、前記挿入体は、前記基部と前記内部セクションとの間に挿入するために構成され、前記基部に剛性を加わるように更に構成される、請求項２３に記載の電気化学貯蔵デバイス。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は２０１２年９月２５日に出願の「Ｌｅａｄ−ａｃｉｄ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｄｅｓｉｇｎ  ｈａｖｉｎｇ  ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  ｆｏｒｍ  ｆａｃｔｏｒ」と題する特許出願第１３／６２６４２６号の一部継続出願であり、その出願は、２０１２年１月１３日に出願の、同じく「Ｌｅａｄ−ａｃｉｄ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｄｅｓｉｇｎ  ｈａｖｉｎｇ  ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  ｆｏｒｍ  ｆａｃｔｏｒ」と題する特許出願第１３／３５０，６８６号の一部継続出願であり、その出願は「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ」と題する同時出願の米国特許出願第１３／３５０，５０５号の開示全体を援用する。本出願は参照により先に列挙された全ての特許出願の内容全体を援用する。
【技術分野】
【０００２】
本開示の実施形態は包括的には電気化学セルに関する。より詳細には、本発明の実施形態は、鉛酸電気化学セルの設計に関する。
【背景技術】
【０００３】
鉛酸電気化学セルは１００年以上にわたってパワーセルとして商業的に成功してきた。例えば、鉛酸電池は、自動車産業において始動、照明及び点火（ＳＬＩ）に適用するために広く使用される。
【０００４】
鉛酸電池の代替品として、ニッケル水素（「Ｎｉ−ＭＨ」）電池及びリチウムイオン（「Ｌｉ−イオン」）電池がハイブリッド車及び電気自動車に適用するために使用されてきた。コストが高いにもかかわらず、Ｎｉ−ＭＨ及びＬｉ−イオン電気化学は、鉛酸電池に比べて、比エネルギー及びエネルギー密度が高いことに起因して、ハイブリッド車及び電気自動車に適用するのに鉛酸電池よりも好まれてきた。
【０００５】
鉛酸電池、Ｎｉ−ＮＨ電池及びＬｉ−イオン電池はそれぞれ、これまで商業的な成功を収めてきたが、これら３つのタイプの化学反応はそれぞれ、特定の用途に限られてきた。図１８は、自動車用途において使用されてきた種々のタイプの電気化学セルのラゴーンプロットを示しており、他の技術と比べたそれぞれの比出力及び比エネルギーを表す。
【０００６】
鉛酸電池技術は低コストで、信頼性があり、相対的に安全である。車両の完全又は部分電化及びバックアップ電源用途のような特定の用途は、従来のＳＬＩ鉛酸電池が送達する比エネルギーよりも高い比エネルギーを必要とする。表１に示されるように、鉛酸電池は構成要素の重量に起因して、比エネルギーが低いという難点がある。したがって、特定の自動車用途及びバックアップ電源用途を含む、高い比エネルギーを必要とする種々の用途にとって低コストで、信頼性があり、相対的に安全な電気化学セルが依然として必要とされている。
【０００７】
鉛酸電池は数多くの利点を有する。最初に、鉛酸電池は世界のいずれの場所においても製造することができる低コスト技術である。したがって、鉛酸電池の生産規模は容易に拡大することができる。鉛酸電池は、種々のサイズ及び設計において大量に入手可能である。更に、鉛酸電池は、良好な高歩留り性能、並びに適度に良好な低温性能及び高温性能を達成する。鉛酸電池は、電気的に効率が良く、７５％〜８０％のターンアラウンド効率を有し、良好な「フロート」サービス（トリクル充電によってフル充電レベル付近に充電が保持される）を提供し、良好な充電保持を示す。更に、鉛は有毒であるが、鉛酸電池の構成要素は容易にリサイクルされる。通常、鉛酸電池の極めて高い割合（９５％超）の構成要素がリサイクルされる。
【０００８】
鉛酸電池には幾つかの欠点もある。鉛酸電池は、深放電用途では特に、提供するサイクル寿命が相対的に低い。鉛構成要素及び電極板を補強するために必要とされる他の構造的構成要素の重量に起因して、鉛酸電池は通常、限られたエネルギー密度を有する。鉛酸電池が放電された状態で長期間にわたって保管される場合には、電極の硫酸化が生じ、電池を損傷し、その性能を損なう恐れがある。更に、設計によっては、水素が放出される可能性がある。
【０００９】
鉛酸電池とは対照的に、Ｎｉ−ＭＨ電池は、水酸化ニッケルのような従来の正の電極とともに、負の活物質として金属水素化物を用いる。Ｎｉ−ＭＨ電池は、特に相対的に浅い放電深度において、相対的に長いサイクル寿命を特徴とする。Ｎｉ−ＭＨ電池の比エネルギー及びエネルギー密度は、鉛酸電池の場合より高い。更に、Ｎｉ−ＭＨ電池は種々の用途の場合に小さなプリズムセル及び円柱セルにおいて製造され、ハイブリッド電気自動車において大量に利用されてきた。より大型のＮｉ−ＭＨセルは、電気自動車における使用は限られていた。
【００１０】
Ｎｉ−ＭＨ電気化学セルの主な欠点はコストが高いことである。Ｌｉ−イオン電池もこの欠点を共有する。更に、近年は、Ｌｉ−イオン設計のエネルギー密度及び比エネルギーの改善が、Ｎｉ−ＭＨ電池の進歩を凌いでいる。したがって、ニッケル水素電池は現時点で１０年前の設計よりも著しく多くの電力を達成するが、Ｌｉ−イオン電池の進歩は、元来高かった動作電圧とともに、Ｌｉ−イオン電池の進歩がなければＮｉ−ＭＨ電池を利用していた数多くのハイブリッド用途の場合に、技術的にＬｉ−イオン電池の競争力を高めてきた。
【００１１】
Ｌｉ−イオン電池は、第二次消費者電池市場の実質的なシェアだけでなく、ＯＥＭハイブリッド電池、車両及び電気自動車用途の大きなシェアも獲得してきた。Ｌｉ−イオン電池は、高いエネルギー密度及び高い比エネルギー、並びに長いサイクル寿命も提供する。例えば、Ｌｉ−イオン電池は、８０％の放電深度において１，０００サイクルより多くのサイクルを達成することができる。
【００１２】
Ｌｉ−イオン電池は、幾つかの利点を有する。Ｌｉ−イオン電池は、多種多様の形状及びサイズにおいて入手することができ、同等のエネルギー容量（比エネルギー及びエネルギー密度の両方）を有する他の二次電池よりはるかに軽量である。更に、Ｌｉ−イオン電池は、より高い開路電圧を有する（通常〜３．５Ｖであり、それに対して鉛酸セルの場合２Ｖである）。Ｎｉ−Ｃｄとは対照的に、また、それほどではないにしても、Ｍｉ−ＭＨ電池とは対照的に、Ｌｉ−イオン電池は、「メモリ効果」を受けず、Ｎｉ−ＭＨ電池（月当たり最大２０％）に比べて、自己放電率がはるかに低い（月当たり約５％）。
【００１３】
しかしながら、Ｌｉ−イオン電池は、幾つかの欠点も有する。Ｌｉ−イオン電池は費用が高い。リチウムの拡散が遅く、それにより、イオンが十分高速に移動できなくなるので、低い温度では１Ｃより高い充電率及び放電率は難しい。更に、Ｌｉ−イオン電池は、より高速の拡散速度を可能にするために液体電解質を使用し、その結果として、負の電極において樹枝状堆積物が形成され、それにより、激しい短絡を引き起こし、結果として危険な状態になることがある。また、液体電解質は、電解質／電極界面において堆積物（ＳＥＩ層とも呼ばれる）を形成し、その堆積物は電子伝達を阻止し、それにより、間接的に、セルの充放電能力及び容量が経時的に低下する。これらの問題は、高充電レベル及び高温によって更に悪くなる可能性がある。Ｌｉ−イオン電池は、フロート状態において動作する場合には、不可逆的に容量を失うことがある。冷却不足及び内部抵抗の上昇によって、セル内の温度が上昇し、電池寿命が更に劣化する。しかしながら、最も重要なのは、Ｌｉ−イオン電池は、過熱、過充電又は過放電される場合に、熱暴走を受ける場合があることである。この結果、セルが破裂し、活物質が大気に露出する可能性がある。極端な場合には、これにより電池が発火する可能性がある。深放電はＬｉ−イオン電池を短絡させる場合があり、それにより再充電が危険になる。
【００１４】
これらのリスクを管理するために、Ｌｉ−イオン電池は通常、高価で、複雑な電力及び熱管理システムを用いて製造される。ハイブリッド車の場合の通常のＬｉ−イオンの用途では、電池モジュールの体積のうちの３分の２が、熱管理並びにパワーエレクトロニクス及び電池管理のための二次的な装置に当てられる場合があり、電池システムの全体サイズ及び重量、並びにそのコストを著しく増加させる。
【００１５】
鉛酸電池、Ｎｉ−ＭＨ電池及びＬｉ−イオン電池の異なる利点及び欠点に加えて、これら３つの電気化学反応の比エネルギー、エネルギー密度、比出力及び電力密度は実質的に異なる。ＨＥＶタイプの用途において用いられるシステムの場合の標準値が以下の表１において与えられる。
【表１】
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【００１６】
１．ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｌｅａｄ＿ａｃｉｄ＿ｂａｔｔｅｒｙ，ａｃｃｅｓｓｅｄ  Ｊａｎ．１１，２０１２
２．Ｌｉｎｄｅｎ，Ｄａｖｉｄ，ｅｄ．，Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，３rd  Ｅｄ．（２００２）
３．ｈｔｔｐ：／／ｉｎｆｏ．ａ１２３ｓｙｓｔｅｍｓ．ｃｏｍ／ｄａｔａ−ｓｈｅｅｔ−２０ａｈ−ｐｒｉｓｍａｔｉｃ−ｐｏｕｃｈ−ｃｅｌｌ，ａｃｃｅｓｓｅｄ  Ｊａｎ．１１，２０１２
Ｎｉ−ＭＨ電池化学反応及びＬｉ−イオン電池化学反応はいずれもハイブリッド車及び電気自動車において大きな役割を主張してきたが、いずれの化学反応も、車両の推進を支援するのに、鉛酸電池よりかなり費用がかかる。本発明人らは、本開示の実施形態が鉛酸電池の容量を大きく改善し、全てのタイプのハイブリッド車及び電気自動車の用途においてＮｉ−ＭＨ電気化学及びＬｉ−イオン電気化学に対する実用的な低コストの代替品を提供できると考える。
【００１７】
詳細には、特定の自動車動力及び予備電源の用途のような幾つかの用途が、Ｎｉ−ＭＨ電池及びＬｉ−イオン電池にとって難しいことが分かっていた。予備電源利用の要求が次第に高まってきた。今日の予備電池は、本当にメンテナンスフリーであり、低コストであり、長いサイクル寿命を有し、自己放電が少なく、極端な温度において動作できなければならず、最後に、高い比エネルギー及び高い比出力を有するべきである。エネルギー効率を改善するために出現したスマートグリッドの用途は、市場において絶えず成長するために、高い電力、長い寿命及び低いコストを必要とする。
【００１８】
自動車メーカは、内燃機関（「ＩＣＥ」）によって動力を供給される従来の自動車に比べてこれらの車両のコストが上昇することに起因して、電気自動車及びハイブリッド車の量販車を発売する際にかなりの買い渋りに直面してきた。環境及びエネルギー自給への関心が、メーカに、内燃機関によって動力を供給される車両に代わるコスト効率の良い代替品を提供するための大きな圧力をかけてきた。ハイブリッド車及び電気自動車はその要求を満たすことができるが、それらの車は通常、エネルギー貯蔵システムの高い分のコストを負担する助成金を当てにする。
【００１９】
以下の表２は、特定の自動車用途における、種々の電池電気化学反応及び内燃機関（ＩＣＥ）の用途、並びにその現在の役割を比較する。表２において用いられるとき、「ＳＬＩ」は、始動、照明、点火を意味し、「ＨＥＶ」はハイブリッド電気自動車を意味し、「ＰＨＥＶ」はプラグインハイブリッド電気自動車を意味し、「ＥＲＥＶ」はエクステンデッドレンジ電気自動車を意味し、「ＥＶ」は電気自動車を意味する。
【表２】
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【００２０】
表２に示されるように、Ｎｉ−ＭＨ電池及びＬｉ−イオン電池を用いるハイブリッド車及び電気自動車に関連付けられる同じレベルの追加コストを生じることなく、車両の部分電化が環境及びエネルギー効率上の利点を提供することができる特定の利用形態が依然として必要とされている。更に具体的には、始動／停止の自動車用途の分野における低コストでエネルギー効率の良い電池が依然として必要とされている。
【００２１】
内燃機関のデューティサイクル内の特定の点が、他の点よりもはるかに非効率を引き起こす。内燃機関は、クランクシャフト速度の相対的に狭い範囲にわたってのみ効率的に動作する。例えば、車両が停止してアイドリングしているとき、有用な仕事をすることなく、燃料が消費されている。車両アイドリング時間、停止／始動イベント、パワーステアリング、空調、又は他のパワーエレクトロニクス構成要素動作は、急加速イベントと同様に、燃費に関して大きな非効率を引き起こす。これらの「始動−停止」状態における車両からの環境汚染は、移動している走行車両からの環境汚染よりはるかに悪い。これらのより極端な動作条件に関連する車両の部分電化は、始動／停止電化を含む、「マイクロ」又は「マイルド」ハイブリッドアプリケーションと呼ばれてきた。マイクロ又はマイルドハイブリッド技術は、完全ハイブリッド又は電気自動車のように、内燃機関によって達成される出力と同程度の排気量を有することはできない。それにもかかわらず、それらの技術は、完全ハイブリッド又は完全電気自動車の用途に関連付けられるかなりの資本支出を生じることなく、コスト効率良く燃料効率を実質的に高めることができる場合がある。
【００２２】
従来の鉛酸電池はこの役割をまだ果たすことができなかった。従来の鉛酸電池は、ＳＬＩ動作の具体的な用途に合わせて設計され、最適化されてきた。マイルドハイブリッド用途の要求は異なる。マイルドハイブリッド用途に合わせて新たなプロセス、設計及び生産工程が開発され、最適化される必要がある。
【００２３】
マイルドハイブリッド用途に対する１つの要求は軽量電池である。従来の鉛酸電池は相対的に重い。鉛構成要素、及び電極板に剛性を与えるために必要である他の構造的構成要素がかなり重いことに起因して、その電池は低い比エネルギーを有する。ＳＬＩ鉛酸電池は通常、他の電池よりも薄い電極板を有し、機関を始動するために必要な動力を生成するために必要とされる広い表面積を与える。しかし、鋳造工程及びグリッド垂れ下がりの力学現象のために、グリッド厚は最小有効厚に限られる。最小グリッド厚は腐食プロセスによって正の電極においても決定される。生産速度において鋳造が難しいため、そして更に重要には、良くないサイクル寿命の問題への懸念のため、正の電極板は、０．０８”（主要外部フレームワイヤ）及び前面ワイヤに関して０．０５”未満であることはめったにない。これらのパラメータは動力を制限する。より深い放電（フォークリフト用の動力など）に適用するために設計された鉛酸電池は通常、より重い電極板を有し、電極板がこれらの用途におけるより深い放電深度に耐えることができるようにする。
【００２４】
更に、通常の鉛酸電池では、電極板を複合材料として形成するために、活物質は通常、グリッドに塗布されるペーストとして形成される。ペーストはそれ自体に十分な接着性があるが、ペーストは収縮するという問題があるため、グリッド材料に十分に接着しない。これは、より強固であり、活物質を支持するのを助ける更なる構造的構成要素を含むグリッドを使用することを要求し、それにより、セルに余分な重量を負担させる。
【００２５】
更に、従来の鉛酸電池の製造中に、その構成要素は何回かの機械的応力を受ける。グリッドに活物質を張りつけるとき、グリッドの格子に応力を加える可能性がある。エキスパンデッドメタルグリッドは、鋳造グリッドより軽量であるが、それでも、エキスパンデッドグリッド自体を形成するのに、エキスパンデッドグリッドの各ノードに応力を導入する。これらの種々の構造的材料が、張りつけ、取り扱い及びセル動作中にかなりの機械的応力を受けるとき、薄い電極板を用いて動力を高めるときには特に、作動後の電池の酸−酸化環境において、より容易に腐食する傾向がある。
【００２６】
例えば、鋳造金属グリッド及びエキスパンデッドメタルグリッドは鉛金属をＰｂＯ2に変換するモル体積変化に起因して、電池の寿命中に不均一な応力を有する。鋳造金属及びエキスパンデッドメタルのグリッドワイヤの断面形状が不規則であるため、腐食生成物のこの体積変化はグリッド上に不均一に大きな応力をかける。
【００２７】
マイルドハイブリッド用途に対する別の要求は、再充電可能電池が、各サイクルにおいて０．００１％未満のエネルギー損失で充電及び放電できるべきであるということである。これは、設計の内部抵抗と、それを克服するために必要な過電圧との関数である。その反応はエネルギー効率を良くすべきであり、サイクル寿命を制限することがある電池への物理的変化を最小限に抑えるべきである。セル構成要素を劣化させる場合があるか、寿命の損失を引き起こす場合があるか、気体副生成物を生成する場合があるか、又はエネルギーの損失を引き起こす場合がある副化学反応は最小限に抑えるか、又はなくすべきである。更に、再充電可能電池は、望ましくは、広範な温度にわたって高い比エネルギー、低い抵抗及び良好な性能を有するべきであり、格子膨張によって引き起こされる構造的応力を軽減できるべきである。抵抗を最小にするために設計が最適化されるとき、充電及び放電効率は著しく改善することになる。
【００２８】
鉛酸電池はこれらの特徴のうちの多くを有する。充電−放電プロセスは基本的に極めて可逆的である。鉛酸システムは広く研究されており、二次化学反応が特定されている。そして、その悪影響は、触媒材料又は工学手法を用いて軽減されてきた。そのエネルギー密度及び比エネルギーは相対的に低いが、鉛酸電池は広範な温度にわたって、良好な性能及び良好なサイクル寿命で確実に動作することができる。鉛酸電池の主な利点は低コストのままである。
【００２９】
通常の鉛酸電気化学セルは、正極板の活物質として二酸化鉛を使用し、負極板の活物質として金属鉛を使用する。これらの活物質はその場で形成される。通常、帯電したアノードはＰｂＯ2を含む。電解質は、通常約１．２の比重又は重量比で３７％が酸である硫酸溶液である。通常のサイクルにおけるアノード及びカソードの基本電極プロセスは、溶解−沈殿機構によるＰｂＯ2／Ｐｂの形成を伴い、アノード構造内に不均一な応力を引き起こす。放電−充電機構における第１の段階は硫酸複塩形成反応である。電解質内の硫酸は放電によって消費され、生成物として水を生成する。数多くの他の電気化学システムとは異なって、鉛酸電池では、電解質自体が活物質であり、容量制限することができる。
【００３０】
従来の鉛酸電池では、主な出発材料は極めて純化された鉛である。鉛は、最初にペーストに変換され、最終的に二酸化鉛の正の活物質及びスポンジ鉛の負の活物質に変換するための酸化鉛を生成するために用いられる。純粋な鉛は一般的に軟らかすぎて、非常に厚い電極板又は渦巻き形電池を除いて、処理上の問題のためグリッド材料として使用することはできない。鉛は通常、合金元素を追加することによって硬化される。これらの合金元素の中には結晶微細化剤及び腐食防止剤があるが、一般的にグリッド作製及び電池性能にとって有害なものもある。鉛／鉛グリッドの腐食の軽減要因のうちの１つが、鉛上で水素を発生させるための高い水素過電圧である。大部分の腐食反応はカソード反応として水素発生を伴うので、水素発生を減らすことが、アノード腐食も抑制する場合がある。
【００３１】
グリッドの目的は、活物質のための支持構造体を形成すること、及び放電中に生成された電流を活物質からセル端子に搬送することである。ポリマー、セラミック及び他の構成要素のような非金属要素によって機械的支持体を設けることもできる。しかし、これらの構成要素は導電性ではない。したがって、それらの支持体は、セルの比エネルギーに寄与することなく、重量を加える。
【００３２】
酸化鉛は、電極板を形成するグリッドに固定することができるパン生地状材料に変換される。ペーストがグリッドに組み込まれるプロセスは張りつけと呼ばれる。張りつけは、ある形態の「リボン」押出成形とすることができる。ペーストは手こてによって、又は機械によってグリッドの隙間に圧入される。塗布されるペーストの量は、グリッド上方のホッパの間隔によって、又はこてのタイプによって調整される。ペーストが張りつけられるにつれて、ペーストから水が押し出される。
【００３３】
ＳＬＩ鉛酸電極板に対する通常の硬化プロセスは正極板と負極板とでは異なる。通常、電極板内に残留する水の量が約８重量％〜２０重量％になるまで、フラッシュ乾燥機内で電極板から水が抜かれる。正極板は低温（＜５５Ｃ±５Ｃ）及び高湿度において、２４時間〜７２時間にわたってハイドロ硬化する。負極板は概ね同じ温度及び湿度において５時間〜１２時間にわたってハイドロ硬化する。負極板は８％〜２０％範囲の下端まで乾燥させることができ、正極板はその範囲の上端まで乾燥させることができる。最近になって、メーカは、温度及び湿度がより厳密に制御される硬化オーブンを使用している。従来のプロセスステップでは、「ハイドロ硬化プロセス」によって、「ペースト」活物質が収縮し、それにより、活物質がグリッドから不均一に剥離する。露出したグリッド金属が選択的に腐食し、活物質と局所的に接触していないので、結果として、抵抗が増加し、形成及び寿命の問題が生じる。
【００３４】
簡単なセルは１つの正極板及び１つの負極板からなり、その間に１つの隔離板を備えている。大部分の実用的な鉛酸電気化学セルは３〜３０の電極板を含み、その間に隔離板を備えている。袋状隔離板を用いることもできるが、通常、平板隔離板が用いられる。隔離板は各電極板を最も近い対向電極から電気的に絶縁するが、電極板の内外に酸を輸送できるようにするほど十分に多孔性でなければならない。
【００３５】
種々の異なるプロセスを用いて、電池ケース及びカバーを互いに封止する。開示されるセルは、酸性電解液、過充電によって生成される爆発性ガス及び電気的衝撃に関連付けられる安全上の問題を最小限に抑える必要がある。大部分のＳＬＩ電池は、ケース及びカバーの融着によって封止されるが、幾つかの深いサイクリングの電池は加熱封止される。多種多様な接着剤、クランプ及び締結具も当該技術分野においてよく知られている。
【００３６】
通常、電池が完全に組み立てられた後に、化成が開始される。化成は活物質を活性化する。その後、電池は試験され、パッケージされ、出荷される。
【００３７】
種々の予備電源及び輸送機関の用途に合わせて鉛酸電池を最適化する際に、幾つかのトレードオフが考慮されなければならない。高い電力密度は、電池の初期抵抗が最小であることを要求する。また、高い電力密度及びエネルギー密度は、電極板及び隔離板が極めて多孔性であることも要求する。対照的に、長いサイクル寿命は、最適化された隔離板、浅い放電深度、基板グリッド内に腐食を抑える合金元素が存在することを要求する。更に対照的には、低コストは、固定費及び変動費の両方が最小であること、高速の自動化処理、グリッド、ペースト、隔離板又は他のセル及び電池構成要素に対して希少材料が使用されないことを要求する。
【００３８】
鉛酸電気化学セルの基本設計に関して幾つかの改善がなされてきた。これらの改善のうちの多くは、基板、活物質並びにバスバー及び集電器要素の特性を改善することを伴った。例えば、基板材料を強化するのを助けるために、基板材料に種々の繊維及び金属が追加されてきたか、又は埋め込まれてきた。活物質は、合成繊維及び他の添加物を含む、種々の材料で強化されてきた。特に鉛酸電池に関して、これらの種々の手法は、耐久性、容量及び比エネルギーの間のトレードオフを表す。種々の非導電性強化要素を添加することは、支持グリッドを強化するのを助けるが、導電性基板及び活物質を非導電性構成要素に置き換える。
【００３９】
その比エネルギーに対して鉛酸電気化学セルの重量を低減するために、種々の改善が開示されてきた。１つの手法は、電極のグリッドを支持するために用いることができる複合ワイヤを形成するのに十分な鉛で、軽量で高い引張強度の繊維をコーティングすることであった。Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎによる米国特許第２７５，８５９号は、電信ケーブルとして使用するためにコア材料上に鉛を押出成形するための装置を開示する。Ｂａｒｎｅｓによる、米国特許第３，８０８，０４０号は、合成樹脂のストリップを堆積することによってグリッド要素としての役割を果たす導電性格子を強化することを開示する。具体的には、Ｂａｒｎｅｓ’０４０特許は、鉛をコーティングされたガラス繊維を開示する。しかしながら、これらの手法は、電解質からの化学的攻撃に耐えることができる市販品として実用的な鉛酸電池を製造することができるほど十分に高い耐腐食特性及び高い引張強度特性を有する材料を作製することができなかった。
【００４０】
Ｂｌａｙｎｅｒらは、電極の重量を低減し、かつ導電性材料の割合を高めるために、基板の組成を更に改善することを開示した。Ｂｌａｙｎｅｒによる米国特許第５，０１０，６３７号及び第４，６５８，６２３号は、繊維を押出成形の耐腐食性金属でコーディングするための方法及び装置を開示する。Ｂｌａｙｎｅｒは、光ガラスファイバ、高導電性金属ワイヤのような高引張強度の繊維材料を含むことができる種々のコア材料を開示する。同様に、Ｂｌａｙｎｅｒは、押出成形の耐腐食性金属は、鉛、亜鉛又はニッケルのような幾つかの金属のいずれかとすることができることを開示する。
【００４１】
Ｂｌａｙｎｅｒは、耐腐食性金属がダイを通して押出成形されることを開示する。金属がコア材料上に押出成形されるにつれて、コア材料がダイを通して引き出される。金属ワイヤ又はファイバの連続した長さが、押出生成の耐腐食性金属の均一な層でコーティングされる。その後、そのワイヤを用いて、活物質のための基板としての役割を果たすスクリーンを編む。編まれたワイヤの交差点には融着点は存在しない。グリッドとしてそのようなスクリーンを用いて電極を構成することができ、活物質がグリッド上に塗布される。再充電可能鉛酸電気化学セルが複数の電極対を用いて構成される。
【００４２】
Ｂｌａｙｎｅｒは、コア材料上への金属コーティングの粒状構造に関する更なる改善を開示する。詳細には、Ｂｌａｙｎｅｒは、米国特許第５，９２５，４７０号及び米国特許第６，０２７，８２２号において、押出成形の耐腐食性金属が長手方向に向けられた粒状構造と、均一な粒径とを有することを開示する。
【００４３】
Ｆａｎｇらは、論文「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｇａｐ  Ｓｉｚｅ  ｏｎ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｂ−ＧＦ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｗｉｒｅ  ｂｙ  Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ」（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５（２００５））において、押出鉛コーティングガラス繊維内の間隙を最適化することを開示する。Ｂｌａｙｎｅｒは、間隙サイズと鉛コーティング複合ワイヤの押出成形との間の関係を開示しないが、Ｆａｎｇは、間隙サイズを連続コーティング押出成形プロセスのための重要なパラメータとして特徴付ける。Ｆａｎｇは、０．１２ｍｍから０．２４ｍｍの間隙が必要であり、０．１８ｍｍの間隙が最適であることを報告している。Ｆａｎｇは、連続ファイバ複合ワイヤが負荷を高め、エネルギー利用を改善できることを更に報告している。
【００４４】
本発明人らは、自動車用途のための鉛酸電気化学セルを改善したにもかかわらず、先行する既知の鉛酸電池は、類似の用途のためのＬｉ−イオンセル又はＮｉ−ＭＨセルと同じ性能を達成できていなかったことに気がついていた。それゆえ、自動車及び予備電源市場の特殊な要求を満たすために、鉛酸電気化学セルの設計及び組成を更に改善することが依然として必要とされている。具体的には、Ｌｉ−イオン電気化学セルによって提起される同じ安全上の懸念を伴わない、特定の用途におけるリチウムイオン電気化学セルの信頼性のある代替品が依然として必要とされている。同様に、鉛酸電気化学セルの低コスト及び信頼性という強みを加えた、Ｎｉ−ＭＨ及びＬｉ−イオン電気化学セルの信頼性のある代替品が依然として必要とされている。更に、自動車及び予備電源セグメントの高まりつつある要求を満たすために、電池生産能力を実質的に改善することが依然として必要とされている。
【００４５】
米国エネルギー省（ＵＳＤＯＥ）は、自動車の全車両に対して企業平均燃費（ＣＡＦＥ）指針を発行した。以前には、ＳＵＶ及び軽トラックは自動車に対するＣＡＦＥ平均から除外されていた。しかしながら、最近になって、乗用車、軽トラック及びＳＵＶのための燃料効率基準を指定する統合指針が現れた。これらの指針は、２０１６年までに１ガロン当たり３１．４マイルの平均燃料効率を要求する。
【００４６】
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｐａ．ｇｏｖ／ｏｍｓ／ｃｌｉｍａｔｅ／ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ／４２０ｒ１０００９．ｐｄｆ
内燃機関技術において予測される改善は、この目標を達成できるように思われない。同様に、純粋なハイブリッド及び純粋な電気自動車に関する製造能力は、この目的を達成できるようにするのに十分であるとは思われない。したがって、電気化学セルが停止／始動又は加速のいずれかの用途のためのある量の動力を与える、マイクロハイブリッド又はマイルドハイブリッドの何らかの組み合わせがＣＡＦＥ基準を満たすために必要になることが予測される。
【００４７】
鉛酸電池システムは、Ｌｉ−イオン電気化学反応に関連付けられる大きな安全上の懸念、及びＬｉ−イオン及びＮｉ−ＭＨの両方の電池に関連付けられるコストの上昇を生じることなく、これらの用途においてＬｉ−イオン電池及びＮｉ−ＭＨ電池の信頼性のある代替品を提供することができる。
【００４８】
更に、本発明の改善された電池は、特有の自動車用途に適合した電力を与えるために、ハイブリッドシステムにおいて他のタイプの電気化学セルと組み合わせることができる。例えば、高出力を特徴とする本発明の鉛酸電池を、高エネルギーを提供するリチウムイオン（「Ｌｉ−イオン」）又はニッケル水素（「Ｎｉ−ＭＨ」）電気化学セルと組み合わせて、各構成要素の相対的なサイズを縮小しながら、特定の自動車予備電源又は定置用電源の用途の要求に適合した複合電池システムを提供することができる。
【発明の概要】
【００４９】
本開示の一態様は、電極アセンブリを有する電気化学セルを含み、電極アセンブリは複数の電極板を含むことができる。各電極板は、第１の部分及び第２の部分を有する集電器を含むことができ、第１の部分及び第２の部分はそれぞれ第１の表面と、第１の表面と反対に面する第２の表面とを有することができる。第１の部分の第１の表面及び第２の表面は、正に帯電した活物質を含むことができ、第２の部分の第１の表面及び第２の表面は負に帯電した活物質を含むことができる。複数の電極板は少なくとも３つの電極板を含むことができ、それにより、その電気化学セルは、少なくとも３つの電極板のうちの１つの電極板の第１の部分が少なくとも３つの電極板のうちの第２の電極板の第２の部分に電気化学的に接続されるように配置することができ、少なくとも３つの電極板のうちの第２の電極板の第１の部分は少なくとも３つの電極板の第３の電極板の第２の部分に接続することができる。
【００５０】
種々の実施形態において、電気化学セルは、以下の特徴を単独で、又は組み合わせて含むことができる：各電極板は第１の部分を第２の部分に接続する複数の電極コネクタを含むことができる；各電極板はシャント電流軽減手段を含むことができる；集電器は均一な電流密度を含むことができる；第１の隔離板を第１の部分の第１の表面に取り付けることができ、第２の隔離板を第２の部分の第１の表面に取り付けることができる；電圧を確立するために複数の電極アセンブリを直列に積重することができる；上部電極板に絶縁体を接続することができ、絶縁体はその中に少なくとも１つのスリットを含むことができ、そのスリットを貫通して電極板が延在している；電気化学セルは、鉛酸電気化学セルとすることができる；電極アセンブリはタブに接続することができる；容量を確立するために、少なくとも２つの電極アセンブリを並列に積重することができる；容量を確立するために少なくとも１つのボルトを含む少なくとも１つの電力バスアセンブリが存在することができる；電極板のうちの少なくとも２つを互いに９０度の角度で電気化学的に接続することができる；電気化学セルは、円形、長方形、正方形、Ｌ字形又はＵ字形のうちの１つから選択される断面形状を含むことができる。
【００５１】
幾つかの実施形態では、電気化学貯蔵デバイスが複数の層電極であって、各層電極は第１の帯電セクタ及び第２の帯電セクタを含み、第２の帯電セクタは第１の帯電セクタと比べて逆極性に帯電し、複数の層電極は、複数の層電極のうちの第１の電極板の第１の帯電セクタが、第１の電極板の直ぐ上に位置する複数の層電極のうちの第２の電極板の第２の帯電セクタの下方に配置されるように互いに組み立てられ、第１の電極板及び第２の電極板の第１の帯電セクタの電荷は第１の符号を有し、第１の電極板及び第２の電極板の第２の帯電セクタの電荷は、第１の符号とは逆の第２の符号を有する、複数の層電極と；第１の電極板の第１の帯電セクタと第２の電極板の第２の帯電セクタとの間に位置し、イオン電荷交換を可能にする隔離板セクタとを備える。
【００５２】
幾つかの実施形態では、第１の電極板の第２の帯電セクタは第２の電極板の第１の帯電セクタの下方に置かれ、その電気化学デバイスは、第１の電極板の第２の帯電セクタと第２の電極板の第１の帯電セクタとの間に位置し、イオン又は伝導電荷交換を防ぐ絶縁体セクタを更に備える。幾つかの実施形態では、複数の層電極はそれぞれ円形である。
【００５３】
幾つかの実施形態では、各セクタは対応する層電極の約半分のサイズの半円形状を有する。幾つかの実施形態では、複数の層電極の各電極板は、対応する電極板の第１の帯電セクタ及び第２の帯電セクタを収容するフレームを更に備える。幾つかの実施形態では、電気化学デバイスは、複数の層電極を覆うための第１のキャップ及び第２のキャップを更に備える。幾つかの実施形態では、電気化学貯蔵デバイスは、第１の帯電セクタと第２の帯電セクタとの間の導電性接続を与えるための導電性基板を更に備える。
【００５４】
幾つかの実施形態では、複数の層電極はそれぞれ長方形の形状を有する。幾つかの実施形態では、各セクタは対応する層電極の約半分のサイズにされる半長方形の形状を有する。
【００５５】
幾つかの実施形態では、電気化学貯蔵デバイスは、共通ケーシング内に配置され、それぞれアノード及びカソードを備える第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルであって、第１の電気化学セルのアノードは第２の電気化学セルのカソードに向かい合って配置される、第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルと；第１の電気化学セルのアノードと第２の電気化学セルのカソードとの間に配置される隔離板であって、第１の電気化学セルのアノード及び第２の電気化学セルのカソードは電気的に絶縁され、隔離板内に吸着されるイオン伝導性媒体を通して連通する、隔離板と；第１の電気化学セルのアノード及び第２の電気化学セルのカソード上に配置される共通集電器であって、第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルは電気的に接続され、イオン伝導しないように隔離され、第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルのイオン分離はシャント電流を軽減する、共通集電器とを備える。
【００５６】
幾つかの実施形態では、そのデバイスは更に、実質的に均一の集電を与え、均一な電流密度を与える集電器を備える。幾つかの実施形態では、そのデバイスは、アノードとカソードとの間の共通集電器の部分上に配置される疎水性コーティングを更に備える。幾つかの実施形態では、そのデバイスは、第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルをイオン伝導しないように絶縁する物理障壁を更に備える。幾つかの実施形態では、そのデバイスは、１つの正の端子接続及び１つの負の端子接続を更に備える。幾つかの実施形態では、そのデバイスは、実質的に同じ平面内に２つ以上の電気化学セルのアノード及びカソードを配置するための絶縁フレームを更に備える。
【００５７】
幾つかの実施形態では、渦巻き形電気化学貯蔵デバイスが、セルスタックを含む円柱形セルパックであって、セルスタックは平坦な構成から丸められ、円柱形セルスタックを形成するセルストリップを含む、円柱形セルパックと、円柱形セルパックを収容するための円柱形ケースとを備える。幾つかの実施形態では、セルスタックは円柱形セルパック内に含まれる複数のセルスタックのうちの第１のセルスタックであり、複数のセルスタックは直列に接続される。幾つかの実施形態では、セルスタックは正の半電極ストリップと、負の半電極ストリップと、隔離板半部分ストリップとを含む複数のストリップを含み、複数の半ストリップは重なり合い、セルスタックを形成する。幾つかの実施形態は、中央マンドレルを更に備え、セルスタックは中央マンドレルの回りで丸められる。
【００５８】
幾つかの実施形態では、渦巻き形電気化学貯蔵デバイスを製造する方法が、平坦なセルストリップを配設することと、平坦なセルストリップを円柱形セルスタックの形に丸めることと、円柱形セルスタックを正の端子に、かつ負の端子に接続することと、円柱形セルスタックを円柱形ケースに挿入することとを備える。幾つかの実施形態では、平坦なセルストリップは複数のセルストリップのうちの第１のセルストリップであり、その方法は、複数のセルストリップを水平に置き、複数のセルスタックを形成することと、複数のセルスタックを直列に接続することと、複数のセルスタックを丸めて、円柱形セルパックを形成することとを更に備える。幾つかの実施形態では、セルスタックは、正の半電極ストリップと、負の半電極ストリップと、隔離板半部分ストリップとを含む複数のストリップを含み、その方法は、複数の半ストリップを重ね合わせて、セルスタックを形成することを備える。幾つかの実施形態は、中央マンドレルを配設することと、平坦なセルストリップを中央マンドレルの回りで丸めて、円柱形セルスタックを形成することとを備える。
【００５９】
幾つかの実施形態では、電気化学貯蔵デバイスが電気化学セルパックであって、電気化学セルパックはタブにおいて終端する、電気化学セルパックと、金属シートから形成される電力バスであって、電力バスはタブをデバイス端子に電気的に接続し、電力バスは、金属シートをタブに溶接することによってタブに取り付けられる、電力バスとを備える。幾つかの実施形態では、金属シートは超音波溶接によってタブに取り付けられる。幾つかの実施形態では、金属シートを折り曲げて、上面、前面及び背面を形成し、上面はデバイス端子に電気的に接続され、前面はタブに溶接される。幾つかの実施形態では、タブは複数のタブのうちの１つのタブであり、電力バスは、金属シートを対応するタブに溶接することによって、複数のタブのそれぞれに取り付けられる。幾つかの実施形態では、電力バスは、複数のタブのそれぞれとデバイス端子との間に平衡した全抵抗を与えるために、異なる点において異なる固有抵抗を有する。幾つかの実施形態では、電力バスは、異なる点において異なる厚みを有することによって、異なる点において異なる固有抵抗を有する。幾つかの実施形態では、電力バスは、電力バスの幾つかの場所に穴を形成することによって、異なる点において異なる固有抵抗を有する。
【００６０】
幾つかの実施形態では、電気化学貯蔵デバイスを製造する方法が、電気化学セルパックを配設することであって、前記電気化学セルパックはタブにおいて終端する、配設することと、平坦な金属シートを含む電力バスセクションを配設することと、前記平坦な金属シートを折り曲げて、タブに溶接することと、電力バスをデバイス端子に電気的に接続することとを含む。幾つかの実施形態では、平坦な金属シートをタブに溶接することは、金属シートをタブに超音波溶接することを含む。幾つかの実施形態では、平坦な金属シートを折り曲げることは、上面と、前面と、背面とを形成することを含み、上面はデバイス端子に電気的に接続され、前面はタブの回りに溶接される。幾つかの実施形態では、タブは複数のタブのうちの１つのタブであり、電力バスは金属シートを対応するタブに溶接することによって複数のタブのそれぞれに取り付けられる。幾つかの実施形態は、異なる点における電力バスの固有抵抗を変更することによって、複数のタブのそれぞれとデバイス端子との間に平衡した全抵抗を与えることを更に含む。幾つかの実施形態では、異なる点における電力バスの固有抵抗を変更することは、異なる点における電力バスの厚みを変更することを含む。幾つかの実施形態では、異なる点における電力バスの固有抵抗を変更することは、電力バスの幾つかの場所において穴を形成することを含む。
【００６１】
幾つかの実施形態では、電気化学貯蔵デバイスが、複数の層電極であって、各層電極は第１の帯電セクタ及び第２の帯電セクタを含み、第２の帯電セクタは第１の帯電セクタと比べて逆極性に帯電し、複数の層電極は、複数の層電極の第１の電極板の第１の帯電セクタが、第１の電極板の直ぐ上に位置する複数の層電極の第２の電極板の第２の帯電セクタの下方に配置されるように互いに組み立てられ、第１の電極板及び第２の電極板の第１の帯電セクタの電荷は第１の符号を有し、第１の電極板及び第２の電極板の第２の帯電セクタの電荷は、第１の符号とは逆の第２の符号を有する、層電極と；第１の電極板の第１の帯電セクタと第２の電極板の第２の帯電セクタとの間に位置し、イオン電荷交換を可能にする隔離板セクタとを含む。
【００６２】
幾つかの実施形態では、第１の電極板の第２の帯電セクタは第２の電極板の第１の帯電セクタの下方に置かれ、その電気化学デバイスは、第１の電極板の第２の帯電セクタと第２の電極板の第１の帯電セクタとの間に位置し、イオン又は伝導電荷交換を防ぐ絶縁体セクタを更に備える。幾つかの実施形態では、複数の層電極はそれぞれ円形である。幾つかの実施形態では、各セクタは対応する層電極の約半分のサイズの半円形状を有する。幾つかの実施形態では、複数の層電極の各電極板は、対応する電極板の第１の帯電セクタ及び第２の帯電セクタを収容するフレームを更に備える。
【００６３】
幾つかの実施形態は、複数の層電極を覆うための第１のキャップ及び第２のキャップを更に備える。幾つかの実施形態では、電気化学貯蔵デバイスは、第１の帯電セクタと第２の帯電セクタとの間の導電性接続を与えるための導電性基板を更に備える。幾つかの実施形態では、複数の層電極はそれぞれ長方形の形状を有する。幾つかの実施形態では、各セクタは対応する層電極の約半分のサイズにされる半長方形の形状を有する。
【００６４】
幾つかの実施形態では、電気化学貯蔵デバイスは、共通ケーシング内に配置され、それぞれアノード及びカソードを備える第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルであって、第１の電気化学セルのアノードは第２の電気化学セルのカソードに向かい合って配置される、第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルと；第１の電気化学セルのアノードと第２の電気化学セルのカソードとの間に配置される隔離板であって、第１の電気化学セルのアノード及び第２の電気化学セルのカソードは電気的に絶縁され、隔離板内に吸着されるイオン伝導性媒体を通して連通する、隔離板と；第１の電気化学セルのアノード及び第２の電気化学セルのカソード上に配置される共通集電器であって、第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルは電気的に接続され、イオン伝導しないように絶縁され、第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルのイオン分離はシャント電流を軽減する、共通集電器とを備える。
【００６５】
幾つかの実施形態では、集電器は実質的に均一の集電を与え、均一な電流密度を与える。幾つかの実施形態は、アノードとカソードとの間に配置される共通集電器の部分上に配置される疎水性コーティングを更に備える。幾つかの実施形態は、第１の電気化学セル及び第２の電気化学セルをイオン伝導しないように絶縁するように構成される物理障壁を更に備える。幾つかの実施形態は、１つの正の端子接続及び１つの負の端子接続を備える。幾つかの実施形態は、実質的に同じ平面内に２つ以上の電気化学セルのアノード及びカソードを配置するための絶縁フレームを更に備える。幾つかの実施形態では、導電性基板はアモルファス材料から形成される。幾つかの実施形態では、導電性基板は、第１のセクタから第２のセクタを指している方向に延在する細長い直線ワイヤを含む金網を含む。幾つかの実施形態では、長方形の複数の層電極はそれぞれ第１のセクタから第２のセクタを指している方向における幅と、幅に対して垂直であり、かつ幅より長い長さとを有する。幾つかの実施形態は、内部セクションと、基部と、挿入体とを更に備え、内部セクションは複数の層電極及び隔離板を含み、基部は電気化学デバイスの外面を形成するように構成され、挿入体は、基部と内部セクションとの間に挿入するために構成され、基部に剛性を追加するように更に構成される。
【００６６】
本開示の更なる目的及び利点は、１つには以下の説明において記載され、１つにはその説明から明らかになるか、又は本開示を実践することによって知ることができる。本開示の目的及び利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される要素及び組み合わせによって実現され、達成される。
【００６７】
これまでの包括的な説明及び以下の詳細な説明はいずれも例示であり、説明するためのものにすぎず、特許請求されるような、本発明の制限しようとするものでないことは理解されたい。
【００６８】
本明細書に援用され、その一部を構成する添付の図面は、本開示の一実施形態を示しており、その説明とともに、本開示の原理を説明するのに役に立つ。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本開示の一実施形態による、螺旋構成に接続される複数の電極アセンブリを示す鉛酸電気化学セルの一部の概略的な等角図。
【図２Ａ】本開示の一実施形態による、電極アセンブリの一部の概略的な等角図である。
【図２Ｂ】図２Ａの電極アセンブリの一部の組立分解等角図。
【図３Ａ】図２Ａの電極アセンブリの側面図。
【図３Ｂ】図２Ａの電極アセンブリの側面図。
【図４Ａ】図２Ａの電極アセンブリの電極板の概略的な平面図。
【図４Ｂ】付随する隔離板及びペースティングペーパとともに図４Ａの電極板を示す組立分解等角図。
【図５】集電器を示す、図２Ａの電極アセンブリの電極板の代替の実施形態の概略的な平面図。
【図６】本開示の一実施形態による、鉛酸電気化学セルモジュール及びパッケージの組立分解等角図。
【図７】本開示の別の実施形態による、螺旋構成に接続される複数の電極アセンブリの概略的な等角図。
【図８】図７の鉛酸電気化学セルの電極アセンブリの一部の組立分解等角図。
【図９】本開示の別の実施形態による、鉛酸電気化学セルモジュールの一部の組立分解等角図。
【図１０】直列に接続される、図９の２つの積重された鉛酸電気化学セルモジュールの概略的な等角図。
【図１１】本開示の別の実施形態による、電極板の概略的な等角図。
【図１２】本開示の別の実施形態による、部分的な電極アセンブリの組立分解等角図。
【図１３】本開示の別の実施形態による、積重された構成の複数の電極アセンブリを備える鉛酸電気化学セルの一部の組立分解等角図。
【図１４Ａ】電力バスに接続される、図１３の鉛酸電気化学セルの概略的な等角図。
【図１４Ｂ】図１４Ａの電力バスの組立分解等角図。
【図１５Ａ】幾つかの実施形態による、溶接された電力バスを含む、電気化学セルを示す図。
【図１５Ｂ】幾つかの実施形態による、溶接された電力バスを含む、電気化学セルを示す図。
【図１５Ｃ】幾つかの実施形態による、溶接された電力バスを含む、電気化学セルを示す図。
【図１５Ｄ】幾つかの実施形態による、溶接された電力バスを含む、電気化学セルを示す図。
【図１５Ｅ】幾つかの実施形態による、蓋挿入体及び基部挿入体を表す図。
【図１５Ｆ】幾つかの実施形態による、蓋挿入体及び基部挿入体を表す図。
【図１５Ｇ】幾つかの実施形態による、蓋挿入体及び基部挿入体を表す図。
【図１５Ｈ】幾つかの実施形態による、蓋挿入体及び基部挿入体を表す図。
【図１６】本開示の別の実施形態による、部分的な鉛酸電気化学セルモジュール、電力バス、及びパッケージの組立分解等角図。
【図１７】本開示の別の実施形態による、積重された構成の複数の電極アセンブリを備える鉛酸電気化学セルの概略的な等角図。
【図１８】種々のタイプの電気化学セルのラゴーンプロットを示す図。
【図１９Ａ】本開示の幾つかの実施形態による、円形電極板モジュールを示す図。
【図１９Ｂ】本開示の幾つかの実施形態による、円形電極板モジュールを示す図。
【図１９Ｃ】本開示の幾つかの実施形態による、円形電極板モジュールを示す図。
【図１９Ｄ】本開示の幾つかの実施形態による、円形電極板モジュールを示す図。
【図１９Ｅ】本開示の幾つかの実施形態による、円形電極板モジュールを示す図。
【図１９Ｆ】本開示の幾つかの実施形態による、円形電極板モジュールを示す図。
【図２０】幾つかの実施形態による、電池モジュールの電極アセンブリを示す図。
【図２１】幾つかの実施形態による、２つの円形フレームを示す図。
【図２２】幾つかの実施形態による、円形フレームの構造を示す図。
【図２３】一実施形態による、円形モジュールカバーを示す図。
【図２４】幾つかの実施形態による、円形電極板モジュールの計算された容量の挙動を円形電極板の直径の関数として示す図。
【図２５】幾つかの実施形態による、長方形の箱形形状の電池を示す図。
【図２６Ａ】幾つかの実施形態による、長方形のフォームファクタを有する電池を示す図。
【図２６Ｂ】幾つかの実施形態による、長方形のフォームファクタを有する電池を示す図。
【図２６Ｃ】幾つかの実施形態による、長方形のフォームファクタを有する電池を示す図。
【図２６Ｄ】幾つかの実施形態による、長方形のフォームファクタを有する電池を示す図。
【図２６Ｅ】幾つかの実施形態による、長方形のフォームファクタを有する電池を示す図。
【図２６Ｆ】幾つかの実施形態による、長方形のフォームファクタを有する電池を示す図。
【図２６Ｇ】幾つかの実施形態による、長方形のフォームファクタを有する電池を示す図。
【図２６Ｈ】幾つかの実施形態による、長方形のフォームファクタを有する電池を示す図。
【図２７Ａ】一実施形態による、１９２Ｖ電圧構成を有する長方形電池を示す図。
【図２７Ｂ】一実施形態による、１９２Ｖ電圧構成を有する長方形電池を示す図。
【図２８Ａ】幾つかの実施形態による、円形セクタ電極設計を有する電池を示す図。
【図２８Ｂ】幾つかの実施形態による、円形セクタ電極設計を有する電池を示す図。
【図２８Ｃ】幾つかの実施形態による、円形セクタ電極設計を有する電池を示す図。
【図２８Ｄ】幾つかの実施形態による、円形セクタ電極設計を有する電池を示す図。
【図２９Ａ】種々の実施形態による、渦巻き形モジュールを示す図。
【図２９Ｂ】種々の実施形態による、渦巻き形モジュールを示す。
【図２９Ｃ】種々の実施形態による、渦巻き形モジュールを示す図。
【図２９Ｄ】種々の実施形態による、渦巻き形モジュールを示す図。
【図２９Ｅ】種々の実施形態による、渦巻き形モジュールを示す図。
【図３０Ａ】幾つかの実施形態による、渦巻き形モジュールの断面図。
【図３０Ｂ】幾つかの実施形態による、セルパックを通って流れる電流の経路を示す図。
【図３１】幾つかの実施形態による、渦巻き形モジュールの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。図面及び以下の説明において、同じ、又は類似の部品を参照するために、できる限り、同じ参照番号を用いることができる。また、類似の名称の要素は、類似の機能を実行する場合があり、同じように設計される場合がある。本明細書において記述される実施形態を理解してもらうために、数多くの細部が記載される。場合によっては、これらの細部を用いることなく、実施形態を実践できる場合もある。他の事例では、記述される実施形態を分かりにくくするのを避けるために、周知の技法及び／又は構成要素は詳細に説明されない場合もある。本明細書において、幾つかの例示的な実施形態及び特徴が説明されるが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、変更形態、改変形態及び他の実施態様が可能である。したがって、以下の詳細な説明は、本発明を制限しない。代わりに、本発明の適切な範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【００７１】
本開示の実施形態は包括的には鉛酸電気化学セルの設計に関する。鉛酸電気化学セルは通常、電極板間に隔離板を有する積重された電極板の形をとる。したがって、本開示の実施形態は、種々のフォームファクタにおける電極板の改善された積重に関する。鉛酸電気化学セル設計の改善された積重及び種々のフォームファクタによれば、鉛酸電気化学セルを、鉛酸電池の一部として使用できるようになる場合があり、それにより、自動車において燃料効率を高めるのを助けるために用いることができる。
【００７２】
より具体的には、本開示の実施形態は、電極板の向きに対する改善、及びシャント電流を軽減するための改善を含む場合がある、鉛酸電気化学セルの設計に対する改善を含むことができる。それらの改善の結果として、より少ない重量及びより小さなサイズを維持しながら、より高い電圧を有する鉛酸電気化学セルを形成することができる。代替的には、同じ相対電圧において、より高い容量を有するセルを作製できるようになる。
【００７３】
本開示の実施形態によれば、鉛酸電池を、車両のマイクロハイブリッド又はマイルドハイブリッドの用途において単独で、又はＮｉ−ＭＨ電池又はＬｉ−イオン電池と組み合わせて使用できるようになる場合がある。幾つかの実施形態は、５０Ｗｈ／ｋｇより高い比エネルギー、及び５００Ｗ／ｋｇより高い比出力を有する他の電気化学電池を使用する。しかしながら、本開示の実施形態は輸送手段及び自動車の用途には限定されない。本開示の実施形態は、定置用電源利用、及びバックアップ電源の状況の場合のエネルギー貯蔵システムのような鉛酸電池を使用することが望ましい、当業者に既知の任意の分野において使用することができる。更に、本発明人らは、本明細書において開示される種々の実施形態の要素及び構成要素が、他の実施形態の他の要素及び構成要素とともに使用される場合があることも意図している。
【００７４】
図１は、本開示の第１の実施形態による、鉛酸電気化学セル１０を示す。鉛酸電気化学セル１０は、複数の電極アセンブリ１２を含むことができる。電極アセンブリ１２は、互いに電気化学的に接触するようにして位置決めされる複数の電極板を含むことができる。電極アセンブリ１２を螺旋構成に接続して、鉛酸電気化学セル内の電圧を確立することができる。詳細には、螺旋構成によって、鉛酸電気化学セルは、一定の容量を維持しながら、電圧を確立できるようになる場合がある。螺旋構成を作り上げる電極アセンブリの数、及び各電極アセンブリの構成は、鉛酸電気化学セルの所望の形状及び所望の電圧に応じて異なる場合がある。
【００７５】
更に、図１に示されるように、螺旋構成は、電極アセンブリ１２の形状が理由で、積重された電極アセンブリの中央に形成される開口部３２を有する場合がある。中央開口部３２は螺旋構成全体を貫通して延在し、それにより、正及び負の主リード線が各電極アセンブリ１２を貫通して延在し、螺旋構成の上部に接続されるようにする中央内腔を形成する。
【００７６】
鉛酸電気化学セル内の各電極アセンブリ１２は絶縁体１４（図２Ｂ）によって分離することができる。絶縁体は電極アセンブリの断面形状とすることができ、径方向スリット１５を含むことができる。例えば、図１の実施形態では、各電極アセンブリ１２の断面形状は半円とすることができる。したがって、絶縁体１４は円形の形状と、半径に沿ったスリット１５とを含むことができる。図２Ｂに示されるように、絶縁体１４は、底面及び上面を更に含むことができる。更に、各電極アセンブリ１２は、複数の電極板２４を含むことができ、上部電極板２４Ｄが絶縁体１４の上面及び底面の両方と接触している。例えば、図２Ｂに示されるように、１つの電極アセンブリの上部電極板２４Ｄは、絶縁体の底面と接触している第１の部分と、絶縁体の上面と接触している第２の部分とを含むことができる。鉛酸電気化学セルの螺旋構成は、１つの電極アセンブリ１２内の上部電極板２４Ｄの第２の部分を別の電極アセンブリ１２内の底部電極板２４Ａの第１の部分と接続することによって達成することができる。
【００７７】
本開示の図２Ａ及び図２Ｂは、図１の鉛酸電気化学セルの電極アセンブリ１２の概略図を示す。図２Ｂに示されるように、電極アセンブリは４つの電極板２４Ａ〜２４Ｄを含むことができる。各電極板は、図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、半円形セクションの半分の形状をとることができる。
【００７８】
図４Ａに示されるように、各電極板２４は、第１の部分２８及び第２の部分３０を含むことができる。第１の部分２８及び第２の部分３０は複数の電極コネクタ２６に接続することができる。各部分は基板を含むことができ、基板は集電器（図示せず）とすることができる。上記のように、電極基板は、Ｓｕｂｈａｓｈ  Ｄｈａｒらによって同時に出願された「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ」に関する米国特許出願第１３／３５０，５０５号において開示されるタイプからなることができ、その開示全体が引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００７９】
したがって、基板は導電性材料から形成されるグリッド状構造を含むことができ、その間に活物質を支持するための空間がある。したがって、基板は、位置合わせされるディンプル状空間を有するか、又は直線状パターンの複数のスルーホールを有する材料シートを含むことができる。代替的には、基板は、網を形成するために編み合わせられる、ワイヤのような複数の材料片を含むことができる。更なる実施形態では、基板は、そこを貫通する穴を有する材料の発泡シートを含むことができる。基板は、結果として基板と活物質との間の接着性を高めることができ、かつ表面導電率を高め、電極板の腐食を低減することができる材料を含むことができる。
【００８０】
図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、各電極板の正の部分及び負の部分は９０度セクションとして表される。特許請求される本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく、種々の代替の幾何学的形状のセクションを利用できることは当業者には明らかであろう。例えば、セクションは３０度、４５度、６０度又は任意の他の適切な幾何学的形状とすることができる。９０度セクションが用いられる場合には、４対の正の電極及び負の電極が各層を構成することができ、６０度セクションが用いられる場合には、６対が構成することができ、４５度セクションが用いられる場合には、８対が構成することができ、３０度セクションが用いられる場合には、１２対が構成することができ、それ以外も同様である。層当たりのセクションの数が増えると、それに比例して、一定半径において、各セクション内の活物質の面積が減少することは当業者には理解されよう。セクションの数が増えるにつれて、電極の半径を大きくして、より多くの活物質表面積を与えることによって、この減少を補うことができる。
【００８１】
基板は、各電極板にわたって相対的に一定の電流密度を維持することができるように更に形成することができる。例えば、図４Ａの電極板の第１の実施形態では、電極板２４は、実質的に半円形の形状を含むことができる。したがって、電極板２４の基板も実質的に半円形の形状を含むことができる。基板にわたる一定の電流密度は、図５に示されるように、径方向において内径よりも外半径において狭い間隔で、かつ電極板の放射状の広がりの内側ほど遠く離れるように基板の集電器要素を配置することによって達成することができる。
【００８２】
活物質は、擬似双極電極板を形成することができるように基板の各部分に配置することができる。擬似双極設計は、共通基板上の交互のフィールドに正及び負の両方の活物質を配置することによって成し遂げることができる。例えば、図４Ａに示される一実施形態では、擬似双極設計は、基板の第１の部分２８上に正の活物質を配置することと、基板の第２の部分３０上に負の活物質を配置することとを含むことができる。この擬似双極設計は、鉛酸電気化学セルに、より低い抵抗及びより高い電力を与えることができる。更に、それにより、鉛酸電気化学セルは、より低い温度において動作できるようになる場合があり、それにより、副次的な冷却装置の必要性を低減することができる。図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、各電極板２４の第１の部分２８は正１６とすることができ、各電極板２４の第２の部分３０は負２０とすることができ、電極板の負の領域と正の領域との間に電極コネクタ２６が存在する。
【００８３】
各電極板の正の部分１６及び負の部分２０はそれぞれ、上面及び底面を更に含むことができる。図４Ｂに示されるように、ペースティングペーパ２２の薄い層を電極板の各部分の上面及び底面上に配置することができる。更に、隔離板１８を各部分の底面上のペースティングペーパに隣接して配置することができる。
【００８４】
先に開示されたように、各電極アセンブリ１２は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように４つの電極板２４Ａ〜２４Ｄを含むことができる。電極アセンブリ１２は、１つの電極板の正の部分１６を別の電極板の負の部分２０に接続できるように、各電極板２４を互いに９０度の角度で積重することによって形成することができる。例えば、一実施形態では、正の部分１６及び負の部分２０を有する第１の電極板２４Ａは、電極アセンブリの底板とすることができる。その後、正の部分１６及び負の部分２０を有する第２の電極板２４Ｂを第１の電極板２４Ａに積重することができる。これは、第２の電極板２４Ｂを第１の電極板に対して９０度だけ回し、第２の電極板２４Ｂの正の部分１６を第１の電極板２４Ａの負の部分２０の上に配置することによって成し遂げることができる（図２Ｂ）。正の部分１６及び負の部分２０を有する第３の電極板２４Ｃを、先に論じられたのと同じようにして、第２の電極板２４Ｂに積重することができ、その後、第４の電極板２４Ｄを第３の電極板２４Ｃの上に積重することができる。第４の電極板２４Ｄは、電極アセンブリ１２の上部電極板とすることができる（図２Ｂ）。
【００８５】
第４の電極板２４Ｄを配置すると、電極アセンブリ上に絶縁体１４を配置することができる。先に論じられたように、かつ図２Ｂに示されるように、第４の、すなわち、上部電極板２４Ｄの正の部分１６は第３の電極板２４Ｃの負の部分２０に接続することができる。スリット１５を含む、絶縁体１４は、第４の電極板２４Ｄの正の部分１６の上部が絶縁体１４の底面と接触することができ、第４の電極板２４Ｄの負の部分２０の底部が絶縁体１４の上面と接触することができるように、電極アセンブリ上に配置することができる。したがって、第４の電極板２４Ｄの負の部分２０は、別の電極アセンブリ１２の第１の電極板２４Ａの空いている正の部分１６と積重することができ、それにより、図１に示される鉛酸電気化学セルの螺旋構成を形成することができる。
【００８６】
代替的には、電極アセンブリは、第４の電極板２４Ｄの空いている部分が正の部分であり、第１の電極板２４Ａの空いている部分が負の部分であるように形成することができる。更に、回路を完成させるために、螺旋構成の上部電極アセンブリの第４の電極板２４Ｄの空いている部分を単一部分の電極板に接続することができる。代替の実施形態では、上部電極アセンブリの上部電極板２４Ｄは単一部分の電極板とすることができ、それにより、第３の電極板２４Ｄと接続して回路を完成させることができる。
【００８７】
幾つかの実施形態では、電極アセンブリは固体極板によって形成され、電極板の正の部分及び負の部分は固体堆積プロセスを通して作製された薄膜活物質を含む。活物質を形成するのに適したプロセスは、限定はしないが、物理気相成長、化学気相成長、噴霧堆積、ディップコーティング、スピンコーティング、無電解堆積、電気めっき、及び薄膜コーティングを形成するのに適したプロセスの任意の組み合わせを含む。適切な形の薄膜材料は、高真空プロセスにおいて、不活性ガス環境下で、及び室内雰囲気及び圧力において形成された材料を含む。
【００８８】
幾つかの実施形態では、隔離板材料は薄膜であり、それにより、液体電解質拡散に相当する速度で、水素イオン、酸素イオン及び硫酸イオン、例えば、Ｈ＋、ＯＨ−、ＳＯ４−イオンを拡散し、移動できるようにする。幾つかの実施形態では、隔離板膜は高分子膜、例えば、ナフィオン材料である。
【００８９】
幾つかの実施形態では、電極板の基板材料は、フォイル又は固体膜の形をとる適切な薄膜の導電性媒体である。幾つかの実施形態では、その薄膜は、金属、例えば、鉛、導電性ポリマー、例えば、アニリン系ポリマー、導電性セラミック、例えば、エボネックス若しくは導電性スズ、又は酸化チタンから選択された織り材料である。種々の実施形態において、基板材料は、適切な付着層を有する研磨された表面を有するか、又は穴、隆起部分、ディンプル嵌合機構及び応力軽減機能を含む、活物質の接着を促進するパターニングされた表面を有する。
【００９０】
種々の実施形態において、適切な電解質は完全に固体であるか、又はゲル若しくは液体の形をとり、化学量論量の正の活物質とともに分散するか、又は電解質貯留体としての役割を果たす電極アセンブリの隔離板膜又は他の部分に染み込んでいる。
【００９１】
代替的には、幾つかの実施形態では、正及び負の電極アセンブリは、イオン伝導膜の分離原理に基づいて燃料電池を構成する。幾つかの実施形態では、適切な燃料流体はガス、例えば、水素又は他の適切な燃料である。
【００９２】
各電極板の擬似双極設計によって、その螺旋構成は、鉛酸電気化学セルの軽量を維持しながら、一定の容量において、鉛酸電気化学セル内の電圧を任意の所望の値（例えば、２４Ｖ、３６Ｖ、４２Ｖ又は４８Ｖ）に確立できるようになる場合がある。軽量は、電極アセンブリの構成要素のサイズ、及び各電極板の材料−組成に起因することができる。更に、電極板を互いに９０度の角度で積重することによって、構成要素を薄くできるようになる場合がある。例えば、一実施形態では、電極アセンブリ１２は、約８インチの直径を含むことができ、約０．３インチ厚とすることができる。より具体的には、電極の正の部分１６は約０．０８２インチ厚とすることができ、電極の負の部分２０は約０．０６インチ厚とすることができ、隔離板１８は約０．０６インチ厚とすることができ、ペースティングペーパ２２は約０．００４インチ厚とすることができる。
【００９３】
電極板の積重は種々の方法のうちのいずれかにおいて成し遂げることができることは当業者には理解されよう。例えば、各正の部分１６及び負の部分２０、並びにその付随する接続２６が、図２に示されるように、同じ平面内に存在するようにして、電極板が段階的に上下に積み上がるように電極板を積重することができる。代替的には、コネクタ２６は、コネクタが積重されるにつれて、極板、ペースティングペーパ及び隔離板の厚みだけオフセットされ、電極板の上昇を容易にするように、角度を付けることができる。更なる代替形態として、螺旋形の幾何学的形状を有する電極板を形成して、電極板を螺旋形パターンに積重するのを容易にし、段の切れ目を小さくするのを容易にし、コネクタ２６にかかる応力を低減するのを容易にすることができる。
【００９４】
鉛酸電気化学セルは、電極が自己放電することがある、電極及び隔離板から電極コネクタへの電解質流体の漏れに起因するシャント電流を軽減するための手段を更に含むことができる。一実施形態では、電極コネクタ２６、及び電極板に隣接する容器の内側部分を疎水性コーティングで処理することができ、それにより、過剰な電解質流体が電極、又は電極コネクタ２６、又はケーシングを濡らすのを防ぐことができる。他の代替的な実施形態では、各電極板の正の部分１６及び負の部分２０のエッジ上に形成される障壁によって、電極コネクタ２６に電解質流体が漏れるのを阻止することができる。その障壁は、コーティングとすることができるか、又は正及び負の各部分を形作り、電解質を含むことができるフレーム材料又は余分な活物質を含む他の材料とすることができる。代替的には、更なる実施形態では、絶縁体は、電極アセンブリ、及び螺旋構成が存在する容器の直径より大きい直径を有することができ、それにより、絶縁体は容器壁とともに障壁を形成し、漏れている電解質流体を取り込むことができる。
【００９５】
図６は、一実施形態による鉛酸電気化学モジュール６０を示す。モジュール６０は、上部３４と、底部３８と、ケーシング３６とを含むことができる。上部３４及び底部３８は、鉛酸電気化学セル１０をケーシング３６内に封入することができる。ケーシングは内側開口部４０を含むことができ、内側開口部は鉛酸電気化学セル１０と実質的に同じ直径及び高さとすることができ、それにより、鉛酸電気化学セルは完全にケーシング３６内に配置され、上部３４及び底部３８によって覆われる。モジュール６０は、鉛酸電気化学セルに取り付けられる正の端子及び負の端子（図５には示されない）を更に含むことができ、それにより、そのモジュールを用いて、エネルギー及び電力を与えることができる。
【００９６】
先に開示されたように、螺旋構成は、鉛酸電気化学セルの一定の容量を維持しながら、電圧を確立するために、電極アセンブリ１２を接続することができる。第２の代替の実施形態では、電極アセンブリ１２は、容量を確立しながら、鉛酸電気化学セルの電圧が一定のままであるように積重することができる。したがって、この第２の実施形態では、電極アセンブリ１２の上部電極板２４Ｄが別の電極アセンブリ１２の底部電極板２４ａに接続される代わりに、単一の電極アセンブリの上部電極板及び底部電極板が接続され、回路を完成する。各電極アセンブリ１２はタブ５０に接続することができ、タブ５０は、容量確立のために電力バスアセンブリ５００に更に接続することができる。
【００９７】
図１４Ｂは、電力バスアセンブリ５００の一実施形態の構成要素を示す。電力バスアセンブリ５００は、電力バス５０２と、端子５０６と、コネクタピース５０４と、ナット５０８とを含むことができる。更に、図１４Ｂに示されるように、ボルト５１０が、コネクタピース５０４に接続され、電力バス５０２を貫通して延在し、ナット５０８に結合することができる。ボルト５１０は、コネクタ部分５０２及びナット５０８に接続されるとき、バスシステム５００の接続を完了することができ、それにより、容量を確立することができる。
【００９８】
図１４Ｂに示されるように、コネクタ５０４は、その中に形成される第１のスルーホール５０４ａ及び第２のスルーホール５０４ｂを含むことができる。第１のスルーホール５０４ａはボルト５１０に接続することができ、第２のスルーホール５０４ｂは、端子の上部５０６ａがその中を通って延在できるようにする。端子５０６は底部５０６ｂを更に含むことができ、底部は鉛酸電気化学セル１０００の上面上に位置することができる。端子の上部５０６ｂは、第２の開口部５０４ｂと実質的に同じ形状である断面を有する細長い部材とすることができる。端子の上部は平坦にすることができる。代替的には、図１４Ａに示されるように、端子の底部５０６ｂは、凹形の内側表面を有することができる。
【００９９】
電力バス５０２は、鉛酸電気化学セルの高さと実質的に同じ長さを有する細長い部材を含むことができる。電力バス５０２は、その長さに沿って配置されるスリットを更に有することができ、スリットは電極板からの接続を受け入れるように構成され、その接続は電力バス５０２を圧縮状態まで押し込むことによって強化される。更に、図１４Ｂに示されるように、電力バス５０２の上面は、コネクタピース５０４の底面と接触することができ、それにより、コネクタピース５０４は、電力バス５０２から端子５０６まで電流を搬送することができる。結果として、電力バス５０２は、電流を搬送できるようにし、かつ容量を確立できるようにする、当業者に既知の任意の材料から形成することができる。
【０１００】
幾つかの実施形態は、超音波溶接された電力バスを利用する。図１５Ａ〜図１５Ｄは、幾つかの実施形態による、溶接された電力バス１５１０を含む電気化学セル１５００を示す。セル１５００は複数のセルパック１５２２を更に含み、それらのセルパックは複数のタブ１５２４において終端する。幾つかの実施形態では、電気化学セル１５００は電池又は電池モジュールである。
【０１０１】
幾つかの実施形態では、電力バスはセルの端部タブに溶接される。幾つかの実施形態では、溶接は超音波溶接である。図１５Ａは、タブ１５２４に溶接された１つの電力バス１５１０を示すセル１５００の一端の組立図である。図１５Ｂは、組み立てられるときに互いに溶接される、タブ１５２４から切り離されている電力バス１５１０を示す、セル１５００の一端の組立分解図である。種々の実施形態において、電力バスとタブとの超音波溶接は、他のタイプの結合と比べて、酸化される金属の生成を削減する。酸化が削減されると、それにより、腐食に対する電圧バスの脆弱性を緩和することができる。
【０１０２】
種々の実施形態において、電力バス１５１０は、折り曲げられた金属シートを含む。種々の実施形態において、電力バス１５１０は鉛シート又は銅シートから形成される。幾つかの実施形態では、電力バスは端部セル「タブ」から電池端子まで電流を伝達する。図１５Ａ〜図１５Ｄの実施形態における「リボン」型電力バスのような幾つかの実施形態では、電力バスは低い質量、低い電気抵抗及び高い耐環境性又は硫酸腐食性を有するように設計される。
【０１０３】
図１５Ｃは、幾つかの実施形態による、溶接工具１５５０による溶接プロセス中のセル１５００の側面図である。幾つかの実施形態では、電力バス１５１０は平坦な金属シートとして開始する。溶接プロセス中に、図１５Ｃに示されるように、金属シートは折り曲げられ、超音波溶接工具１５５０によってタブ１５２４に溶接される。
【０１０４】
その断面が角１５１０−ｆ１として示される折り目のうちの１つが上部１５１０−ｔを形成し、上部をバスの残りの部分から分離する。更に、一方の側にある全てのタブが折り曲げられた電力金属シートに溶接されるとき、電力バスの前面１５１０−ｆが形成される。前面５１５１０−ｆの形成が完了し、前面が全てのタブを埋め込むと、金属シートの底部が折り返され、電力バスの背面１５１０−ｂを形成する。完成した電力バスは、前面１５１０−ｆ及び背面１５１０−ｂ、並びに上面１５１０−ｔを含む。図１５Ｄは、その２つの端部上のタブに２つの電力バス１５１０が溶接されている組み立てられたセル１５００を示す。
【０１０５】
種々の実施形態において、電力バス１５１０は、各セルから電池端子まで電子を伝導するための平衡経路を与える。例えば、図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｄにおいて見られるように、幾つかの実施形態では、各上面１５１０−ｔは端子１５１２に接続される。前面１５１０−ｆ及び背面１５１０−ｂは、タブ１５２４から上面１５１０−ｔ及び端子１５１２までの電子経路を与える。幾つかの実施形態では、電力バス１５１０は、各タブ１５２４と対応する端子１５１２との間に平衡した、すなわち、概ね等しい全抵抗を与えるために、その表面に沿って不均一な固有抵抗を有するように設計される。幾つかの実施形態では、前面又は背面の固有抵抗は、上面からの距離の関数として変更される。例えば、幾つかの実施形態では、前面１５１０−ｆの固有抵抗は、上面１５１０−ｔから離れる点ほど減少する。幾つかの実施形態では、上側経路に比べて下側タブの場合に短い経路を与える背面１５１０−ｂの固有抵抗は、前面１５１０−ｆより高い。種々の実施形態において、電力バスのエリアの固有抵抗は、表面のある部分を除去して穴を形成することによって、又はバスを形成するフォイルの厚みを薄くすることによって増加する。種々の実施形態において、電力バスフォイル上の場所の関数としての固有抵抗の所望の値は、タブと端子との間の電子の種々の経路をモデル化することによって決定される。
【０１０６】
幾つかの実施形態では、１つのモジュールのためのケーシングの基部及び蓋は、ケーシングの上側表面及び下側表面の剛性を高めるのを助ける挿入体を含む。図１５Ｅ〜図１５Ｈは、幾つかの実施形態による、そのような挿入体を有するモジュール１５５０を示す。詳細には、図１５Ｅは、モジュール１５５０の組立図を示し、図１５Ｆはモジュール１５５０の組立分解図を示す。更に、図１５Ｇ及び図１５Ｈはそれぞれ、モジュール１５５０の底部トレイ１５５４及び蓋アセンブリ１５５９の組立図を示す。
【０１０７】
図１５Ｆにおいて見られるように、モジュール１５５０は、外側基部１５５２と、下側挿入体１５５３と、スカート１５５６と、上側挿入体１５５７と、外側蓋１５５８とを含む。下側挿入体１５５３は基部１５５２のための挿入体として用いられ、上側挿入体１５５７は蓋１５５８のための挿入体として用いられる。挿入体１５５３及び１５５７はそれぞれ基部及び蓋に剛性を加える。幾つかの実施形態では、挿入体は、ほとんど材料及び重量を追加することなく、ケーシングの剛性を高める。幾つかの実施形態では、加えられる剛性は、モジュールがケースの変形又は膨張に耐えるのを助ける。種々の実施形態において、剛性を加えない場合、電池の標準的なサイクルに起因してそのような膨張が生じることがあり、結果として電池内部のガス圧の上昇が生じ、それによりケースを変形し、膨張を引き起こすことがある。膨張が生じる結果として、電極スタックの圧縮が失われ、不均一な圧縮になる可能性がある。
【０１０８】
図１５Ｇにおいて見られるように、底部アレイアセンブリ１５５４は、外側基部１５５２に下側挿入体１５５３を組み付けることによって形成される。同様に、図１５Ｈは、上側挿入体１５５７及び外側蓋１５５８を組み立てることによって、蓋アセンブリ１５５９が形成されることを示す。
【０１０９】
図１５Ｇ及び図１５Ｈは、幾つかの実施形態による、挿入体の形成、及び他の部品に対するその位置決めも示す。幾つかの実施形態では、挿入体は、適切に位置決めするためにその中に形成される位置合わせ穴を含む。幾つかの実施形態では、基部又は蓋のリブに接着剤を塗布して、基部及び蓋に対して挿入体を固定する。幾つかの実施形態では、挿入体は基部及び蓋の内側表面においてリブに結合され、二重外被アセンブリを形成する。この二重外被アセンブリは、スタック圧縮及び内部ガス圧によって引き起こされる場合がある曲げ荷重に耐える。
【０１１０】
幾つかの実施形態では、挿入体１５５３及び１５５７は、ケーシング１５５６と同じ材料から形成される。そのような材料によって、部品を結合する際の融通性を高めることができるようになる。幾つかの実施形態では、挿入体はポリプロピレンシートから形成される。
【０１１１】
幾つかの実施形態では、挿入体は打ち抜かれるか、切断されるか、成形されるか、又は他の適切な形成技法によって形成される。代替的には、幾つかの実施形態では、挿入体はハイインパクトポリスチレン（ＨＩＰＳ）；アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）；ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、任意の適切な複合材料、又は耐酸性であり、高強度であり、容易に形成される他の熱可塑性材料から形成される。種々の実施形態において、挿入体は電解質漏れに対して遮蔽を与える。
【０１１２】
種々の実施形態において、挿入体は、電極の圧縮が失われるのを防ぎ、電極スタックにわたって均等な圧縮レベルを維持する。更に、挿入体は、電極スタック間に間隙を設けることによって短絡を防ぐのを助け、それにより、挿入体がなれば短絡を引き起こすことがあった、隣接する電極スタック間に液体経路が形成されるのを防ぐ。
【０１１３】
幾つかの実施形態では、挿入体は、その中に形成されたアパーチャを含む。アパーチャによって、余分な液体電解質が、電極スタックから基部内に形成された底部トレンチに流出できるようにする。更に、アパーチャは、電極スタックからガスが脱出するための経路も与える。また、挿入体は、電極スタックを電池内に位置決めするためのパッドを確立するように形成することもできる。
【０１１４】
本開示の第３の実施形態では、電極板は、その形状を長方形にすることができる。長方形電極板は、半円形電極板と同様の面積にすることができ、同様のサイズの電極アセンブリ及びモジュールを形成するために用いることができる。図７は、本開示の第３の実施形態による、鉛酸電気化学セル１００を示す。図７の実施形態は、長方形電極板を互いに対して９０度の角度で積重し、電極アセンブリを形成し、電極アセンブリを螺旋構成に接続することを示す。図７に示されるように、長方形電極板が接続され、電極アセンブリを、それにより、正方形の断面形状を有する螺旋構成を形成することができる。
【０１１５】
図１の電極アセンブリ１２と同様に、図８の電極アセンブリ１１２は、４つの長方形電極板１２４Ａ〜１２４Ｄを含むことができる。各電極板１２４Ａ〜１２４Ｄは、電極コネクタ１２６によって接続される正の部分及び負の部分を含むことができる。更に、各電極板は、ペースティングペーパ及び隔離板１１８を含むことができる。更に、図８に示されるように、各電極アセンブリ１１２は絶縁体１１４によって分離することができ、絶縁体は、電極アセンブリ１１２と同じ断面形状を含むことができ、径方向スリット（図示せず）を更に含むことができる。
【０１１６】
図９は、本開示の第３の実施形態による、鉛酸電気化学セルモジュール２００を示す。モジュール２００は、ケーシング１４０と、スロット付トレイ１４２と、ドリップトレイ１４６とを含むことができる。スロット付トレイ１４２は、複数のスロット１４４を含むことができ、スロットによって、余分な電解質流体がスロット付トレイ１４２を通って、ドリップトレイ１４４上の収集部分に流れ込むことができるようになる場合がある。ドリップトレイ１４６は外縁１４５を含むことができ、外縁はケーシング１４０の内縁に固定することができ、それにより、ケーシング１４０及びドリップトレイ１４６が、スロット付トレイ１４２上に位置する鉛酸電気化学セル１００を封入することができる。ケーシング１４０及びドリップトレイ１４６は、当業者に既知の任意の手段によって固定することができる。例えば、一実施形態では、ケーシング１４０及びドリップトレイ１４６は、プラスチック超音波溶接によって互いに保持することができる。
【０１１７】
鉛酸電気化学セル１００は、螺旋構成の正の端部に接続されるタブ５０と、負の端部に接続されるタブ５０とを更に含むことができる。タブ５０は、当業者に既知の任意の手段によって正の端部及び負の端部に確実に固定することができる。例えば、タブ５０は、ハンダ付け又は超音波溶接によって接続することができる。タブ５０はそれぞれスルーホール５２を含むことができ、スルーホールはポスト１４８が通り抜けられるようにする。更に、ケーシング１４０、スロット付トレイ１４２、ドリップトレイ１４６のそれぞれの開口部１４１、１４３、１４７もそれぞれ、ポスト１４８がその中を通り抜けることができるようにする。
【０１１８】
図１０に示されるように、ポスト１４８が鉛酸電気化学セルモジュールのための正の端子及び負の端子としての役割を果たすことができるように、ポスト１４８はケーシング１４０のそれぞれの開口部１４１から外側に延在することができる。ポスト１４８は、その中に開口部を有する端部分１５０を更に含むことができる。端部分１５０内の開口部によって、鉛酸電気化学セルモジュール２００を互いに積重できるようになる場合がある（図１０）。
【０１１９】
第４の実施形態が第３の実施形態の正方形の電極アセンブリ１１２の幾何学的形状を利用して、第３の実施形態の場合のように電圧を確立するのではなく、一定の電圧において容量を確立することができる。第２の実施形態に関連して開示されたのと同様に、この第４の実施形態は、回路を完成し、それゆえ、１２Ｖ電極アセンブリ１１２を形成するために、上部電極板１２４Ｄの空き部分を第１の電極板２４Ａの空き部分に接続することを含むことができる。その後、鉛酸電気化学セルの一定の１２Ｖを維持しながら、容量を確立するために、電極アセンブリ１１２を積重し、電力バスアセンブリ５００に接続することができる。鉛酸電気化学セルの第４の実施形態は、第３の実施形態に類似とすることができるモジュールを更に含むことができる。
【０１２０】
更に、電極板を用いて、電極アセンブリを形成することができ、それにより、円形及び正方形に加えて、種々の断面形状を有する鉛酸電気化学セル構成を形成することができる。この種々の断面形状によれば、鉛酸電気化学セルシステムを収容する場所（例えば、車両フレーム）の設計をほとんど、又は全く変更することなく、鉛酸電気化学セルの積重又は螺旋構成を種々の場所（例えば、車両内）に配置できるようになる場合がある。これらの更なる実施形態では、例えば、各電極アセンブリは５つ以上の電極板を含む場合がある。更に、これらの電極アセンブリの形成は、電極板を互いに対して直線的に、かつ互いに対して９０度において積重することを含むことができる。例えば、一実施形態では、長方形電極板を用いて、長方形の断面を有する螺旋構成を形成することができる。したがって、各電極アセンブリの幅に沿ってではなく、長さに沿って多くの電極板が存在することができる。
【０１２１】
一実施形態では、電極板は、結果として形成された電気化学セルが３つの直交する方向において体積効率を与えることができるように向けることができる。例えば、電気化学セルの向きは、ｘ方向、ｙ方向及び／又はｚ方向において改善された寸法を与えることができる。ただし、ｘｙｚ軸は電気化学セルケーシングに対して特別に向きを合わせられない。代替的には、電気化学セルの向きは、ｘ方向、ｙ方向及び／又はｚ方向において改善された寸法を与えることができる。ただし、ｘｙｚ軸は電気化学セルケーシングに対して向きを合わせられる。上記及び下記のように、電気化学セルは、直交する方向ｘ、ｙ、ｚのうちの１つの方向において電圧又は容量を確立するように、イオン接続及び共通集電器を通して一体にすることができる。
【０１２２】
本開示の第５の実施形態は、電極板から電極アセンブリを形成することを含むことができ、電極アセンブリはＬ字形の断面を含むことができる。各電極アセンブリは、電極コネクタによって接続される正の部分及び負の部分を有する電極板を含むことができる。更に、各電極板はペースティングペーパ及び隔離板を含むことができる。更に、各電極アセンブリは、少なくとも１つのスリットを有するＬ字形絶縁体によって分離され、それによりＬ字形電極アセンブリを螺旋形に接続できるようになる場合がある。更に、各電極板は、シャント電流を軽減するための手段を更に含むことができる（例えば、電極コネクタ上の疎水性コーティング、電極板の疎水性構成、又は電解質流体を吸い取るための特大の絶縁体）。
【０１２３】
Ｌ字形鉛酸電気化学セルは、Ｌ字形モジュールを更に含むことができる。円形モジュール及び正方形モジュールと同様に、Ｌ字形モジュールはケーシングと、スロット付トレイと、漏れている電解質流体を収集するためのドリップトレイとを含むことができる。更に、Ｌ字形螺旋構成の正の端部及び負の端部に接続されるタブが存在することができ、それにより、タブはＬ字形鉛酸電気化学セルの端子を形成するシャフトに接続することができる。
【０１２４】
Ｌ字形電極アセンブリの代替の第６の実施形態は、本明細書において開示される他の容量確立実施形態に類似の容量確立幾何学的形状を更に含むことができる。第６の実施形態におけるＬ字形電極アセンブリはそれぞれ並列に接続され、各アセンブリがタブにおいて終端し、それぞれのタブが電力バスアセンブリ５００に接続されている。容量確立Ｌ字形電気化学セルは、螺旋構成のためのＬ字形モジュールに類似のモジュール内に収容することができる。
【０１２５】
本開示の第７の実施形態は、Ｕ字形断面形状を有する電極アセンブリとすることができる。第７の実施形態は、本明細書において開示されるように、一定の容量において電圧を確立することができる。代替的には、第８の実施形態は、容量を確立するように配置されるＵ字形電極アセンブリを含むことができる。図１７は、本開示の第８の実施形態による、鉛酸電気化学セル２０００を示す。鉛酸電気化学セル２０００は、積重された複数の電極アセンブリ２０１２を含むことができ、それにより、電圧は一定のままにすることができ、容量を構成することができる。各電極アセンブリ２０１２はＵ字形構成を含み、それにより、鉛酸電気化学セル２０００は、中間隔離板２１０４を含むことができるモジュール内に収まることができる。鉛酸電気化学セル２０００は、各端部上に、容量を確立する電力バス５００を更に含むことができる。
【０１２６】
更なる代替形態として、電気化学セルは細長い長方形の形状に構成することができる。図１１は、本開示の第９の実施形態による、鉛酸電気化学セルの電極板１０２４を示す。図４及び図８の電極板２４、１２４と同様に、電極板１０２４は、第１の正の部分１０２８と、第２の負の部分１０３０とを含むことができ、その間に電極コネクタ１０２６がある。種々の実施形態において、各電極板部分１０２８又は１０３０は、電子が流れる方向における幅１０２８−Ｗと、その方向に対して垂直な長さ１０２８−Ｌとを有する。種々の実施形態において、各電極板は、１より大きいアスペクト比、すなわち、その長さと幅との比（１０２８−Ｌの長さ／１０２９−Ｗの長さ）を有する。幾つかの実施形態では、長さと幅との比は約１．５である。幾つかの他の実施形態では、この比は約２．０である。そのようなアスペクト比は、電極板の同じ全表面積の場合に、電子が進行する必要がある経路が短いので、電池セルの効率を高める。
【０１２７】
第９の実施形態では、図１２に示されるように、電極アセンブリは容量確立構成において並列に配置することができる。図１２に示されるように、所望の数の電極板１０２４を整列させることによって電極アセンブリを形成することができ、電極板１０２４は電極アセンブリの底部分を形成することができる。電極アセンブリの上部分は、上部電極板の正の部分１０２８を底部電極板の負の部分１０３０と位置合わせするなどによって形成することができる。積重された正の部分及び負の部分のそれぞれの間に隔離板が位置することができる。更に、電極アセンブリを形成する結果として、一端において底部電極板１０２４の空きの正の部分１０２８、及び反対側の端部において底部電極板１０２４の空きの負の部分１０３０が残される。回路を完成するために、これらの空き端部上に個々の負の部分及び正の部分をそれぞれ配置することができる。任意の所望の電圧の電極アセンブリを形成することができる。例えば、図１２の電極アセンブリ１０１０は１２ボルトアセンブリとすることができる。
【０１２８】
図１３は、図１２の積重された電極アセンブリ１０２４を含むことができる鉛酸電気化学セル１０００を示す。鉛酸電気化学セル１０００は、タブ５０を含むことができる。図７の鉛酸電気化学セル１００内のタブ５０と同様に、各タブはスルーホール５２を含むことができ、ハンダ付け又は超音波溶接によって、各電極アセンブリの正の端部及び負の端部に接続することができる。しかしながら、図１３は、タブ５０を、１つの電極アセンブリだけではなく、２つの電極アセンブリに接続される場合があることを示す。
【０１２９】
図１４Ａは、鉛酸電気化学セル１０００の各端部が電力バスアセンブリ５００に接続される場合があることを更に示し、それにより、鉛酸電気化学セル１０００の容量を確立するために個々の電極アセンブリ１０２４を並列に接続できるようになる場合がある。
【０１３０】
図１６は、図１４Ａの鉛酸電気化学セル１０００を含む鉛酸電気化学セルモジュール１２００を示す。図９の鉛酸電気化学セルモジュール２００と同様に、鉛酸電気化学セル１２００は、ケーシング１２０２と、複数のスロット１２０５を備えるスロット付トレイ１２０４と、スロット付トレイのスロット１２０５から漏れる電解質流体を収集するためのドリップトレイ１２０６とを含むことができる。ケーシング１２０２、スロット付トレイ１２０４及びドリップトレイ１２０６は鉛酸電気化学セル１０００の寸法よりわずかに大きな長さ、幅及び高さを含むことができ、それにより、ケーシング１２０２及びドリップトレイ１２０６は鉛酸電気化学セル１０００を完全に封入することができる。更に、図１０のモジュール２００と同様に、ケーシング１２０２及びドリップトレイ１２０６は、限定はしないが、プラスチック超音波溶接を含む、当業者に既知の任意のプロセスによって互いに保持することができる。
【０１３１】
種々の実施形態が、電極板のための新規の形状を使用し、それに応じて、電池の電荷容量又は効率を高める。図１９Ａは、本開示の幾つかの実施形態による円形電極板モジュール１９００を示す。円形電極板モジュール１９００は、上部及び底部にある２つのキャップ１９１０と、２つのキャップ間にある複数の円形電極板１９２０と、複数のナット及びボルトアセンブリ１９３０（２つの端部ナット及びボルトアセンブリを１９３０ａとし、４つの側部ナット及びボルトアセンブリを１９３０ｂとする）。上部及び底部キャップ１９１０は、複数の円形電極板１９２０の２つの側において複数のナット及びボルトアセンブリ１９３０によって締め付けられ、これらの電極板を互いに保持する。更に、上部キャップ及び底部キャップ１９１０はそれぞれ端子１９１２（図１９Ａでは上部キャップのみを見ることができる）を含み、その端子を通して、モジュールは電池又は他のモジュールの端子に接続する。
【０１３２】
図１９Ｂは、幾つかの実施形態による、円形電極板モジュール１９００及びその種々の部品の分解図を示す。詳細には、図１９Ｂでは、モジュール１９００は、１つの層正端子１９２０Ｐと、１つの層負端子１９２０Ｎと、５つの層電極１９２０Ｅと、６つのボルト１９３０Ｂと、６つのナット１９３０Ｎ（そのうちの４つが見える）と、４つのブッシング１９３２（そのうちの３つが見える）とを含む。
【０１３３】
図１９Ａ及び図１９Ｂの実施形態において、図１９Ｂに示される分解された部品が結合して、図１９Ａの組み立て後のモジュール１９００になる。詳細には、図１９Ｂに示される部品を組み立てて、図１９Ａの組み立て後のモジュール１９００にするとき、ボルト１９３０Ｂは、層正端子１９２０Ｐ内の指定された穴と、層電極１９２０Ｅ又はブッシング１９３２内のいずれかの指定された穴と、層負端子１９２０Ｎ内の指定された穴とを通り抜け、その後、ナット１９３０Ｎと嵌合する。より具体的には、矢印によって指示される、ボルトのうちの２つは、図１９Ａ内の端部ナット及びボルトアセンブリ１９３０ａに対応し、層電極１９２０Ｅ内の穴を通り抜ける。他の４つのボルトは、図１９Ａ内の側部ナット及びボルトアセンブリ１９３０ｂに対応し、ブッシング１９３２を通り抜ける。
【０１３４】
図１９Ｂに示されるモジュールを組み立てるとき、層電極１９２０Ｅ及び層負端子又は層正端子は、先行する層に対して層ごとに半回転して互いに上に位置決めされ、それにより、１つの電極板の正の半層が次の電極板の負の半層の真下に位置決めされ、逆も同様である。
【０１３５】
種々の実施形態が、層電極及び層負端子又は層正端子の種々の組み合わせを使用し、結果としてモジュールのための種々の電池電力を生成する。例えば、図１９Ｂに示される実施形態のような幾つかの実施形態では、モジュール１９００は１つの層正端子１９２０Ｐと１つの層負端子１９２０Ｎとの間に配置される５つの層電極１９２０Ｅを含む。幾つかの実施形態では、電極のそのような組み合わせは１２ボルト電池モジュールを提供する。
【０１３６】
図１９Ｃは、幾つかの実施形態による、層電極１９２０Ｅの詳細な構造を示す。図１９Ｃにおいて、層電極１９２０Ｅは、負の半層１９２４と、正の半層１９２６と、ワイヤ基板１９２０Ｗと、２つの薄い隔離板半層１９２７ｔ−１及び１９２７ｔ−２と、厚い隔離板半層１９２７Ｔと、円形フレーム１９２０Ｆと、フレームо−リング１９２１と、絶縁体半層１９２５とを含む。
【０１３７】
幾つかの実施形態によれば、これらの部品は図１９Ｃに示される順序及び向きにおいて組み立てられ、図１９Ｂに示される１つの層電極１９２０Ｅを形成する。詳細には、ワイヤ基板１９２０Ｗが円形フレーム１９２０Ｆに張り渡され、金網を作り出す。この網は負の半層１９２４及び正の半層１９２６内に含まれる活物質内に埋め込まれ、活物質層を形成する。２つの後続の電極層間の間隙を封止するためにо−リング１９２１が含まれる。その後、負の半層１９２４は、順に、薄い隔離板半層１９２７ｔ−１、絶縁体半層１９２５及び薄い隔離板半層１９２７ｔ−２によって下から覆われる。一方、正の半層１９２６は、厚い隔離板半層１９２７Ｔで下から覆われる。
【０１３８】
種々の実施形態において、層電極１９２０Ｅは、当接する層電極の負の半層及び正の半層が接触するように組み立てられる。詳細には、第２の層電極１９２０Ｅが第１の層電極の上方に位置決めされ、図１９Ｂにおいて見られるようなモジュール１９００を形成するとき、第２の層電極は第１の層電極に対して、その中心軸の回りで１８０度だけ回転する。このようにして、第２の層電極の負の半層は第１の層電極の正の半層の上に位置決めされ、第２の層電極の正の半層は第１の層電極の負の半層の上に位置決めされ、それぞれの場合に、その間に幾つかの隔離板又は絶縁体が介在している。例えば、１つの設定において、図１９Ｃに示される組立分解図は、上部において第２の層電極に、底部において第３の層電極に挟まれる第１の層電極を表す。図示されない、第２の層電極及び第３の層電極は、互いに同じように向けられるが、第１の電極に対して１８０度だけ回転している。この例示的な設定では、第１の層の負の半層１９２４は、第２の層電極及び第３の層電極の正の半層間に挟まれており、第１の層の負の半層の上に厚い隔離板半層が介在し、その上に正の半層があり、また、第１の層の負の半層の下に薄い隔離板１９２７ｔ−１、絶縁体１９２５及び薄い隔離板１９２７ｔ−２がそれぞれ介在し、その下に正の半層がある。同じようにして、第１の層電極の正の半層１９２６は、第２の層電極及び第３の層電極の負の半層間に挟まれており、第１の層電極の正の半層の上に薄い隔離板半層、絶縁体半層及び別の薄い隔離板半層が介在し、その上に負の半層があり、また、第１の層電極の正の半層の下に厚い隔離板１９２７Ｔが介在し、その下に負の半層がある。
【０１３９】
種々の実施形態において、絶縁体半層は、その２つの側にある活物質半層が電荷を交換するのを防ぐ絶縁層である。上記の例示的な設定では、例えば、第２の層電極の絶縁体半層は、第１の層電極の正の半層１９２６が、その上に位置する第２の層電極の負の半層と電荷を交換するのを防ぐ。同様に、絶縁体半層１９２５は、負の半層１９２４が、その下に位置する第３の層電極の正の半層と電荷を交換するのを防ぐ。
【０１４０】
種々の実施形態において、隔離板半層は１つ又は２つの活物質半層と接触しているイオン伝導層である。幾つかの実施形態では、隔離板半層は、その半層が接触している活物質半層内の電解質のある量を保持する。更に、種々の実施形態において、隔離板半層は、２つの側にある２つの活物質半層と接触しており、それらの半層間でイオン電荷交換を可能にし、それにより、単位セルを形成する。上記の例示的な設定では、例えば、薄い隔離板半層１９２７ｔ−１がその上にある負の活物質１９２４と接触しており、その負の半層を保持し、その負の半層とイオンを交換する。同様に、薄い隔離板半層１９２７ｔ−２は、その下に位置する正の活物質と接触している。一方、厚い隔離板半層１９２７Ｔは、第１の層電極の正の半層１９２６と、下方の第３の層電極の負の半層との間でのイオン電荷交換を可能にする。同様に、第２の層電極の厚い隔離板半層は、負の半層１９２４と、第２の層電極の正の半層電極との間でのイオン電荷交換を可能にする。正の半層、隔離板半層及び負の半層のこの組み合わせは、モジュール１９００内部の単位セルを作り出す。したがって、図１９Ｃにおいて、例えば、負の半層１９２４はその上方の正の半層とともに単位セルを形成し、一方、その下方の正の半層から絶縁されている。同様に、正の半層１９２６はその下方の負の半層とともに第２の単位セルを形成し、一方、その上方の負の半層から絶縁されている。そのモジュールのこれらの単位セルは、ワイヤ基板１９２０Ｗによって互いに直列に接続される。
【０１４１】
種々の実施形態において、ワイヤ基板は単方向導電性ワイヤによって作り出される網であり、ワイヤ基板が接続する２つの活物質半層間の導電性電子交換を可能にする。このようにして、ワイヤ基板は、同じ層電極内で、１つの単位セルの正の半層を別の単位セルの負の半層に接続する。種々の実施形態において、ワイヤ基板は、電池の効率を高める組成及び設計を有する。図１９Ｃに示される実施形態などの幾つかの実施形態では、その配線は、一方の電極から他方の電極まで延在する方向性ワイヤからなる網である。更に、種々の実施形態において、ワイヤ基板は、長距離秩序を有しない非結晶性アモルファス材料から形成される。そのような材料は、腐食に対する更に良好な耐性を与え、それゆえ、電解質と接触して使用されるのに更に適している。
【０１４２】
上記の例示的な設定では、例えば、図１９Ｃに示される第１の層電極において、ワイヤ基板１９２０Ｗは、第１の単位セルに属する負の半層１０２４を、第２の単位セルに属する正の半層１９２６に接続する。
【０１４３】
種々の実施形態において、円形電極板モジュール１９００は、直列に接続される１組の単位セルを含む。幾つかの実施形態では、中央の各単位セルは、先に詳述されたようにして、２つの当接する層電極間に形成される。更に、２つの端部単位セルが、層電極と、当接する層正端子又は層負端子との間に形成される。例えば、図１９Ｂに示される実施形態では、第１の層電極端子１９２０Ｅ−１は負の半層１９２４−１を含み、その半層は層正端子１９２０Ｐ内の正の半層１９２６−Ｐとともに単位セルを形成する。一方、第５の層電極１９２０Ｅ−５は正の半層１９２６−５を含み、その半層は、層負端子１９２０Ｎ内の負の半層１９２４−Ｎとともに単位セルを形成する。
【０１４４】
図１９Ｄ及び図１９Ｅは、幾つかの実施形態による、層正端子及び層負端子の構造を更に詳細に示す。図１９Ｄは、層正端子１９２０Ｐが、連続した層において降順に、キャップ１９１０と、鉛シート半層１９５４とともに薄い隔離板半層１０２７ｔ−１と、正の半層１９２６と、ワイヤ基板１９２０Ｗと、ガスケット半層１９５２とともに厚い隔離板半層１９２７Ｔと、絶縁体１９２５と、薄い隔離板半層１０２７ｔ−２とを含むことを示す。また、層正端子１９２０Ｐは、円形フレーム１９２０Ｆと、フレームо−リング１９２１と、端子１９５６と、端子о−リング１９５７とを含む。
【０１４５】
図１９Ｅは、層負端子１９２０Ｎが、種々の層において昇順に、キャップ１９１０と、穴付きガスケット半層１９５２ｈとともにＰＶＣ半層１９５８と、穴付きＰＶＣ半層１９５８ｈとともに別のＰＶＣ半層１９５８と、別の穴付きＰＶＣ半層１９５８ｈとともに絶縁体１９２５と、鉛シート半層１９５４とともに薄い隔離板半層１９２７ｔと、ワイヤ基板１９２０Ｗと、ガスケット半層１９５２とともに負の半層１９２４とを含むことを示す。また、層負端子１９２０Ｎは、円形フレーム１９２０Ｆと、フレームо−リング１９２１と、長端子１９５６Ｌと、端子о−リング１９５７とを更に含む。
【０１４６】
幾つかの実施形態では、ＰＶＣを用いて、円形フレーム１９２０Ｆと、絶縁体半層１９２５と、キャップ１９１０と、ＰＶＣ半層１９５８及び１９５８ｈとを製造する。更に、鉛を用いて、ワイヤ基板１０２０Ｗと、端子１９５６及び１９５６Ｌとを製造する。更に、о−リング１９２１及び１９５７と、ガスケット半層１９５２及び１９５２ｈとを製造する際に、７０ＡデュロメータのＥＰＤＭゴムが用いられる。
【０１４７】
部品１９２４及び１９２６はそれぞれ負の活物質及び正の活物質である。薄い隔離板１９２７ｔ及び厚い隔離板１９２７Ｔは、異なる厚みのガラス繊維マットから形成される。詳細には、図１９Ｃ〜図１９Ｅに示される実施形態では、厚い隔離板半層１９２７Ｔは、薄い隔離板半層１９２７ｔより厚い。更に、正の活物質１９２６は負の活物質１９２４より厚い。これらの実施形態では、薄い隔離板半層１９２７ｔは負の半層１９２４も含む側に含まれ、正の半層１９２６に比べて負の半層１９２４が薄いのを補償する。更に、説明されたように、隔離板半層１９２７は、その半層が接触する活物質の電解質を保持する。
【０１４８】
種々の実施形態において、電極板間の連続した電荷経路を設けるようにして、層電極が円形電極板モジュールに組み立てられる。図１９Ｆは、幾つかの実施形態による、円形モジュール１９００内の層電極１９２０Ｅ−１〜１９２０Ｅ−４を含む、層電極のアセンブリの電荷経路を示す。図１９Ｆにおいて、垂直方向及び水平方向の矢印は、電荷移動の方向を指示する。具体的には、水平方向の矢印１９４２は、ワイヤ基板を通しての、アセンブリ内の１つの単位ユニットから次の単位ユニットへの導電性電子移動を指示する。一方、垂直方向矢印１９４４は、単位セル内のイオン性電荷移動、例えば、隔離板を通しての、層電極１９２０Ｅ−２の左側（正の）半層から、層電極１９２０Ｅ−３の左側（負の）半層までのイオン性電荷移動を指示する。幾つかの実施形態では、単位セルによって生成される電圧は、約２ボルトである。例えば、図１９Ｂに示される実施形態では、モジュール１９００は６つの単位セルを組み立てており、モジュール１９００によって生成される全電圧は約１２ボルトである。
【０１４９】
種々の実施形態において、層電極１９２０Ｅ、すなわち、正の端子及び負の端子のための層はある特定の順序において種々の部品を組み立てることによって製造される。例えば、図１９Ｃに示される実施形態では、層電極１９２０Ｅを製造するとき、ワイヤ基板１９２０Ｗが、円形フレーム１９２０Ｆの上側面上にエッチングされた溝の中に張り渡され、ワイヤフレームアセンブリを作り出す。その後、このワイヤフレームアセンブリは、一方において、負の半層１９２４を形成する負の活物質で覆われ、他方において、正の半層１９２６を形成する正の活物質で覆われることができる。その後、負の半層及び正の半層の適切な面に、絶縁体半層１９２５及び隔離板半層１９２７を取り付けることができる。
【０１５０】
異なる実施形態が、ワイヤフレームアセンブリのために、又はワイヤフレームアセンブリを層電極の残りの部品と組み合わせるために異なる構造を使用する。図２１は、２つの異なる実施形態による、２つの円形フレーム２１２０Ｆ−１及び２１２０Ｆ−２を示す。円形フレーム２１２０Ｆ−１は、溝の中に張り渡されたワイヤ基板がフレームの外周から離れないように、かつワイヤフレームアセンブリの外周と接触しないように、その外周のセクション上にエッチングされたワイヤ溝２１５２を有する。一方、円形フレーム２１２０Ｆ−２は、溝の中に張り渡されたワイヤ基板がワイヤフレームアセンブリの外周の一部を形成するように、その外周の長さに沿ってエッチングされたワイヤ溝２１５４を有する。円形フレーム２１２０Ｆ−２を用いる幾つかの実施形態では、フレームо−リング１９２１を用いて、ワイヤフレームアセンブリの外周を封止し、電解質が漏れ出すのを防ぐ。
【０１５１】
図２２は、幾つかの他の実施形態による、円形フレーム２２２０Ｆの構造を示す。円形フレーム２２２０Ｆは、外周セクション２２２０Ｆｐと、中央直径セクション２２２０Ｆｄと、Ｏ−リングシーリング２２５８とを含む。外周セクション２２２０Ｆｐは、ワイヤ基板用にその上に形成された、垂直チャネル２２５４の形の溝を有する。一方、直径セクション２２２０Ｆｄは、ワイヤ基板用にその上に形成された、水平チャネル２２５６の形の溝を有する。
【０１５２】
Ｏ−リングシーリング２２５８は、酸のような副生成物、又は電池によって生成されたガスが漏れるのを防ぐシーリング機構を与える。更に、幾つかの実施形態では、そのような漏れは、直径セクション２２２０Ｆｄに沿って、注封材料エリア２２５７のようなチャネルを切り抜くことによって中央においても防止される。鉛ワイヤ基板が円形フレーム２２２０Ｆ上に張り渡された後に、エリア２２５７にエポキシを注いで、ワイヤを封止する。幾つかの実施形態では、エポキシはワックス又は他の適切な疎水性材料とすることができる。エポキシを用いて、半層間で電池の漏れを防ぐか、又は低減する。
【０１５３】
種々の実施形態は、モジュールカバーの外形又は形状を変更して、電池の特性を改善する。図２３は、一実施形態による、円形モジュールキャップ２３００を示す。モジュールキャップ２３００は、６つのセクタ２３０２と、端子位置２３０４とを含む。セクタ２３０２はそれぞれ中央セクションを含み、中央セクションは薄い厚みを有し、より厚みのある周縁部よって包囲される。セクタ２３０２の中央が薄いため、モジュールキャップ２３００は、均一な厚みを有し、かつそれ以外はモジュール２３００に類似であるキャップより軽量である。例えば、幾つかの実施形態では、上部又は底部カバー用の各円形モジュールキャップ２３００は、外径８インチ、内径７インチ、厚み１／４インチの寸法をとる。種々の実施形態において、上部カバー及び底部カバーはＰＶＣを用いて射出成形される。これらの実施形態では、モジュールキャップ２３００は約１４０グラムの重さがあり、一方、均一な厚みを有する類似の寸法のキャップは約２７０グラムの重さがある。カバーが軽量であるほど、電池の重量が減少し、それゆえ、その比エネルギー又は比出力が増加する。
【０１５４】
図２０は、幾つかの実施形態による、電池モジュールの電極アセンブリ４００を示す。アセンブリ４００は、半円形の完全電極板４０２と、四分円形の正の端部電極板４０４及び負の端部電極板４０６と、アイソレータ層４０８と、隔離板４１０と、正の端子４１２と、負の端子４１４とを含む。各完全電極板４０２は、正の半電極板４０２Ｐと、負の半電極板４０２Ｎとを含む。完全電極板４０２は、完全電極板が別の完全電極板の上方に位置決めされるとき、電極アセンブリ４００の軸の回りを９０度だけ回転し、それにより、一方の電極板の正の半電極板４０２Ｐが他の電極板の負の半電極板４０２Ｎに対して位置決めされるように組み立てられる。更に、隔離板４１０は、２つの逆符号に帯電した半電極板間に挿入され、その間のイオン接続を与える。一方の電極板の負の半電極板が第１の電極板の上方又は下方に位置する別の電極板の正の半電極板にイオン接続されるこの組み合わせは、単位セルを作り出す。更に、同じ完全電極板４０２内の正の半電極板４０２Ｐと負の半電極板４０２Ｎとの間のワイヤ接続は、２つの連続した単位セル間の直列接続を与える。正の端部電極板４０４は、それに対して（図２０では、その下方に）位置決めされる負の半電極板４０２Ｎとともに単位セルを形成する。同様に、負の端部電極板４０６は、それに対して（図２０では、その上方に）位置決めされる正の半電極板４０２Ｐとともに別の単位セルを形成する。
【０１５５】
図２４は、幾つかの実施形態による、円形電極板モジュールの計算された容量の挙動を円形電極板の直径の関数として示す。図２４は、グラフ２４００を示しており、横座標２４１０はインチ単位の電極直径を記載し、縦座標２４２０はアンペア時（ａｈ）単位の対応する計算された容量を記載する。曲線２４３０は、容量に対する計算値を直径の関数として示す。詳細には、曲線２４３０は、電極板の直径を大きくすると、計算された容量が非線形に増加することを示す。更に、曲線２４３０は、一実施形態において、電極直径が７インチに設定され、モジュールの容量が約６．５ａｈであることを示す。
【０１５６】
幾つかの実施形態では、電池モジュールが非円形の形状を有する電極板から形成される。図２５は、幾つかの実施形態による、長方形の箱（長方形プリズム）として実現される電池２５００を示す。電池２５００は、１つ又は複数の長方形電極板２５１０を含む。幾つかの実施形態では、長方形電極板２５１０は、長方形アクティブモジュール２５２０と、長方形ネストモジュール２５３０とを含む。
【０１５７】
長方形アクティブモジュール２５２０は、長方形ネストモジュール２５３０内に収まる。長方形アクティブモジュール２５２０は、長方形の負の半層２５２４と、長方形の正の半層２５２６とを収容する長方形フレーム２５２０Ｆを含む。一方、長方形ネストモジュール２５３０は、長方形アイソレータ２５２５と、長方形隔離板２５２７とを含む。
【０１５８】
したがって、種々の実施形態において、２つの異なるフレームが、図２５に示されるのと同じようにして、電子モジュールの１つの層を構成する。第１のフレームは、２つの異なるタイプの活物質を含む２つの活物質半層を含む。第２のフレームは第１のフレームと同じ形状を有し、隔離板若しくはアイソレータ、又は両方を含む。種々の実施形態において、これら２つのタイプのフレームは別々に製造され、その後、組み立てられ、電池モジュールの１つの層を作り出す。その後、複数の層を組み立てて、電池モジュールを作り出す。幾つかの実施形態では、層を組み立てるとき、各層はその下方又は上方の層に対して回転し、それにより、隣接する層の負の半層及び正の半層が互いに面するようにする。
【０１５９】
幾つかの実施形態では、複数の長方形層を組み立てて、所望の出力電圧を有する長方形モジュールを形成する。図２６Ａ及び図２６Ｂは、幾つかの実施形態による、組み立てられた形及び分解された形の１２ボルト長方形モジュール２６００を示す。図２６Ｂに示されるように、長方形モジュール２６００は、上層２６１０と、５つの電流中継フレーム２６３０と、底層２６５０とを含む。上層２６１０は、上部カバー２６１０Ｃと、上側半電極フレーム２６２０とを含む。底層２６５０は、底部カバー２６５０Ｃと、下側半電極フレーム２６４０とを含む。図２６Ａ及び図２６Ｂに示される実施形態では、先に論じられた正及び負の半層と同様に、上側半電極フレーム２６２０は負の半層を含み、下側半電極フレーム２６４０は正の半層を含む。種々の実施形態において、モジュール２６００は、例えば、負及び正の半層がそれぞれ底部及び上部に、又は任意の他の向きに位置決めされるように、異なるように向けて、使用することができる。
【０１６０】
図２６Ｃ及び図２６Ｄはそれぞれ、幾つかの実施形態による、モジュール２６００の中央中継フレーム２６３０の組立図及び分解図を示す。図２６Ｃ及び図２６Ｄに示されるように、電流中継フレーム２６３０は、ガスケットと、負の酸貯留体半長方形と、正及び負の活物質半長方形と、ワイヤ基板と、注封材料と、内側フレームと、隔離板半長方形と、正の酸貯留体半長方形と、アイソレータ半長方形を含む外側フレームとを含む。これらの部品は概して先に論じられた層電極の部品と同じように機能する。詳細には、幾つかの実施形態では、負及び正の酸貯留体半長方形は、薄い隔離板材料から形成される。図２６Ｄに示される実施形態では、負及び正の酸貯留体はそれぞれ、上から、又は下から負及び正の活物質半長方形を覆い、それぞれ対応する活物質半長方形のための酸の貯留体として機能する。幾つかの実施形態では、ガスケットはＥＰＤＭゴムから形成され、他の実施形態はバイトン又は類似のエラストマーを含み、中央中継フレームとその上方のフレームとの間のワッシャとしての役割を果たす。内側フレームは、適切な耐酸性プラスチックから形成され、活物質、ワイヤ基板、酸貯留体及び他の部品のための汎用フレームとして機能する。注封材料は硬化性エポキシ化合物であり、正の活物質と負の活物質との間の酸の移動に対する障壁として機能する。
【０１６１】
図２６Ｅ及び図２６Ｆはそれぞれ、幾つかの実施形態による、モジュール２６００の上層２６１０の組立図及び分解図を示す。上層２６１０は、上部カバー２６１０Ｃと、上側半電極フレーム２６２０とを含む。また、図２６Ｆは、幾つかの実施形態による、上側半電極フレーム２６２０の異なる部品も示しており、それらの部品は、ガスケットと、負の端子と、集電器と、負の酸貯留体半長方形と、注封材料と、ワイヤ基板と、負である活物質半長方形と、隔離板半長方形と、スペーサ半長方形と、隔離板半長方形を含む外側フレームとを含む。集電器は鉛金属シートから形成され、活物質から電流を収集し、その電流を負の端子に送達する。スペーサ半長方形は、ＥＰＤＭゴム又は類似の耐酸性エラストマーから形成され、基板とアイソレータ構成要素との間の厚みの差を補償する。
【０１６２】
図２６Ｇ及び図２６Ｈはそれぞれ、幾つかの実施形態による、モジュール２６００の底層２６５０の組立図及び分解図を示す。底層２６５０は、底部カバー２６５０Ｃと、下側半電極フレーム２６４０とを含む。また、図２６Ｈは、幾つかの実施形態による、下側半電極フレーム２６４０の異なる部品も示しており、それらの部品は、ガスケットと、正である活物質半長方形と、スペーサと、ワイヤ基板と、注封材料と、内側フレームと、正の電極板のための酸貯留体と、アイソレータ半長方形を含む外側フレームと、集電器と、正の端子と、第２のガスケットとを含む。
【０１６３】
種々の実施形態は、より多くの数の長方形フレームを組み合わせて、より出力が高い長方形モジュールを作り出す。図２７Ａ及び図２７Ｂは、一実施形態による、１９２ボルト長方形モジュール２７００を示す。長方形モジュール２７００は蓋２７１０と、正のバス２７２２及び負のバス２７２４と、２つの電極スタック２７３０と、中央バス２７４０と、ケース２７５０とを含む。この実施形態では、中央バスは、スタック２７３０の下側端子を互いに電気的に直列に接続する。
【０１６４】
幾つかの実施形態は、単位セルの螺旋構成を示す。幾つかの実施形態では、螺旋構成は、電極スタックを貫通する複数の多重螺旋電流経路を与える。図２８Ａ〜図２８Ｄは、幾つかの実施形態による、円形螺旋モジュール２８００を示す。円形螺旋モジュール２８００は、後に更に詳細に説明されるように、螺旋形に組み立てられる複数の部分モジュール２８１０を含む。
【０１６５】
図２８Ｂ及び図２８Ｃは、幾つかの実施形態による、部分モジュール２８１０の細部を示す。部分モジュール２８１０は、円のセクタとして実現される。図２８Ａ〜図２８Ｄに示される実施形態では、部分モジュール２８１０は、正及び負の活物質を有する２つの３０度半セクタを含む、６０度角度セクタとして実現される。
【０１６６】
図２８Ｂ及び図２８Ｃは、部分モジュール２８１０の種々の部品を示す。部分モジュール２８１０は、フレーム２８１２と、正及び負の活物質半セクタ２８１４及び２８１５と、ワイヤ基板２８１６と、アイソレータ半セクタ２８１７と、隔離板半セクタ２８１８とを含む。負及び正の活物質、アイソレータ、及び隔離板は、円形電極板モジュール１９００又は他の類似のモジュールにおいて先に説明されたのと同じように機能する。
【０１６７】
図２８Ａ及び図２８Ｄは、幾つかの実施形態による、複数の部分モジュール２８１０を積重して円形螺旋モジュール２８００を形成することを示す。詳細には、図２８Ｄに示されるように、円形螺旋モジュール２８００が、５つの部分モジュール２８１０−１〜２８１０−５を含む。部分モジュールは、部分モジュールの負の半セクタが、その上方の部分モジュールの正の半セクタの真下に位置し、かつイオン接続されるように、螺旋形に積重される。例えば、部分モジュール２８１０−１の負の半セクタは、部分モジュール２８１０−２の正の半セクタの真下に位置し、かつ隔離板を介してイオン接続される。同様に、部分モジュール２８１０−２の負の半セクタは、部分モジュール２８１０−３の正の半セクタの真下に位置し、かつ隔離板を介してイオン接続され、それ以外も同様である。
【０１６８】
このようにして、１組の部分モジュール２８１０が直列に接続される一群の単位セルを形成する。詳細には、各単位セルは、部分モジュール２８１０−ｉの負の半セクタと、その負の半セクタの上方に位置する部分モジュール２８１０−ｉ＋１の正の半セクタと、これらの２つの半セクタ間にある隔離板とを含む。このようにして形成された各単位セルは、横断電極基板２８１６によって、その前後のセルと直列に接続される。例えば、部分モジュール２８１０−１の負の半セクタと、その上方に位置する部分モジュール２８１０−２の正の半セクタとの間に１つの単位セルが形成される。この単位セルは部分モジュール２８１０−１及び２８１０−２内の横断電極基板２８１６によって、その前後の単位セルにそれぞれ直列に接続される。
【０１６９】
図２８Ｄにおいて、矢印は、これらの直列に接続される単位セル内、及び単位セル間で電子が移動する方向を示す。詳細には、各水平矢印は、同じ部分モジュールの横断電極基板を通しての、１つの単位セルから次の単位セルへの、すなわち、各部分モジュール２８１０−ｉの正の半セクタから同じ部分モジュールの負の半セクタへの伝導性電荷移動を示す。一方、各垂直矢印は、その間に挿入された隔離板を通しての、各単位セル内の、すなわち、部分モジュール２８１０−ｉの負の半セクタからその負の半セクタの上方に位置する次の部分モジュール２８１０−ｉ＋１の正の半セクタへのイオン性電流移動を示す。したがって、部分モジュール２８１０−１〜２８１０−５は、直列に接続される１組の４つの単位セルと、始端及び終端にある２つの半セクタとを形成する。幾つかの実施形態は、内部の短絡又は電解質の損失を防ぐガスケットを含む。幾つかの実施形態では、ガスケットは、円形電極板モジュール１９００又は他の類似のモジュールにおいて先に説明されたのと同じようにして電解質の損失を防ぐ。例えば、図２８Ｃでは、電流アイソレータ２８１７によって、内部短絡が軽減される。
【０１７０】
幾つかの実施形態では、電気化学電池モジュールは円柱形の渦巻き形モジュールである。円柱形の渦巻き形モジュールは、代替のフォームファクタ及び代替の製造方法を利用する。幾つかの実施形態では、そのモジュールは中央マンドレルの回りに単極及び双極構成の長いストリップ電極を巻き付け、モジュール用の円柱形セルを作り出すことによって構築される。隣接するセルは、ワイヤ基板を通して、互いに電気的に直列に接続される。セルは、円柱形の耐圧ケースに収容される。このようにして構築された、円柱形の渦巻き形モジュールは、その同等品に比べて、部品が少なく、体積効率が高く、耐振動性及び耐圧性が高い。
【０１７１】
図２９Ａ〜図２９Ｃは、種々の実施形態による、渦巻き形モジュール２９００を示す。詳細には、図２９Ａは外観図であり、図２９Ｂは組み立て後の内部部品図であり、図２９Ｃは、種々の実施形態による、渦巻き形モジュール２９００の部品の組立分解図である。
【０１７２】
渦巻き形モジュール２９００は、モジュールケース２９０２と、ケースベント２９０４と、上部カバー２９０６と、正の端子２９０８と、負の端子２９１０と、正の集電器２９１２と、正の半電極基板終端ストリップ２９１４と、円柱形セルパック２９１６と、負の半電極基板終端ストリップ２９１８と、負の集電器２９２０と、中央マンドレル２９２２と、底部カバー２９２４とを含む。図２９Ａ〜図２９Ｃに示される実施形態では、円柱形セルパック２９１６は、配線によって内部で直列に接続される６つの円柱形セルスタック２９１７を含む。幾つかの実施形態では、各セルパック２９１６は、２ボルト電位差を与え、それゆえ、モジュール２９００は１２ボルトモジュールである。
【０１７３】
種々の実施形態において、正の半電極基板終端ストリップ２９１４は、外縁に沿って共通バス内の正の半電極端部配線を電気的に結合し、配線と正の集電器２９１２とを容易に電気的に結合できるようにする。種々の実施形態において、正の集電器２９１２は正の半電極基板終端ストリップを正の端子２９０８に電気的に結合する円形金属板である。幾つかの実施形態では、正の集電器２９１２は正の端子への低抵抗の直通経路である。種々の実施形態において、正の端子２９０８によって、モジュールに外部から電気的に接続できるようになる。
【０１７４】
同様に、種々の実施形態において、負の半電極基板終端ストリップ２９１８は、外縁に沿って共通バス内の負の半電極端部配線を電気的に結合し、配線と負の集電器２９２０とを容易に電気的に結合できるようにする。種々の実施形態において、負の集電器２９２０は負の半電極基板終端ストリップを負の端子２９１０に電気的に結合する円形金属板である。幾つかの実施形態では、負の集電器２９２０は負の端子への低抵抗の直通経路である。種々の実施形態において、負の端子２９１０によって、モジュールに外部から電気的に接続できるようになる。
【０１７５】
図２９Ｄ及び図２９Ｅは、幾つかの実施形態による、円柱形セルパック２９１６に類似の円柱形セルパックを製造する中間段階を示す。図２９Ｄ及び図２９Ｅはそれぞれ、丸められて円柱形セルパックされつつある間の平坦なセルパック２９６６の２つの異なる図を示す。平坦なセルパック２９６６は６つの平坦なセルスタック２９７０と、中央マンドレル２９７２とを含む。図２９Ｄ及び図２９Ｅに示される段階では、各セルスタック２９７０は平坦な細長いストリップである。図２９Ｄ及び図２９Ｅに示される実施形態では、各セルスタック２９７０は図３０Ａに関連して更に詳細に説明されるような４つの層を含む。詳細には、各セルスタック２９７０は、電極及び隔離板の交互の層を含む。それらの層の端部は、例示のために、図２９Ｄ及び図２９Ｅにおいて互い違いにされる。セルスタックの隣接する層のうちの幾つかが、以下に説明されるように、配線によって接続される。
【０１７６】
図２９Ｄ及び図２９Ｅは、中央マンドレル２９７２の回りで平坦なセルスタック２９７０を丸めて、円柱形セルパックを構築する開始段階を表す。また、図２９Ｄ及び図２９Ｅは、中央マンドレル２９７２の回りで丸められつつあるときの、その平坦な構成にある正の半電極基板終端ストリップ２９７４及び負の半電極基板終端ストリップ２９７６も示す。丸め終えた後に、これらのストリップは図２９Ｃにおける部品２９１４及び２９１８の螺旋形状をとることになる。
【０１７７】
幾つかの実施形態では、中央マンドレル２９７２は円柱管であり、耐硫酸プラスチックから形成される。幾つかの実施形態では、中央マンドレルの材料は、モジュールケースの材料に類似である。種々の実施形態において、電極は中央マンドレルの回りに巻き付けられる。したがって、種々の実施形態において、中央マンドレル２９７２は、電極アセンブリを支持する。図３０Ａは、巻き付ける前のマンドレル上の完全電極構成及び半電極構成を示す２Ｄ図である。
【０１７８】
図３０Ａは、中央マンドレルにセルスタックを巻き付ける１回転を実行しているときの渦巻き形モジュールの断面を示す。一連の画像３００１〜３００５を用いて、幾つかの実施形態によるセルパック３０００の詳細を示す。詳細には、完全セル画像３００５は、完全に１回転した後の、図２９Ｄ及び図２９Ｅのセルパック２９６６のような平坦なセルスタックを中央マンドレル３０２０に巻き付けることから生じる層を含む、セルパック３０００の断面を示す。１回転だけ巻き付けられた後に、セルパック３０００は６つのセルスタック３０１０を含む。図３０Ａ内の各長方形は、中央マンドレル３０２０に巻き付けられたセルスタックの層の断面を表す。
【０１７９】
画像３００１は中央マンドレル３０２０を示す。画像３００２は、中央マンドレルにセルスタックを巻き付ける１回転を実行しているときの、中央マンドレル３０２０の回りに形成される隔離板層３０３０の層を示す。隔離板層３０３０は６つの隔離板半部品３０３２を含む。各隔離板半部品３０３２は、６つのセルスタック３０１０のうちの１つに対応する。幾つかの実施形態では、隔離板層３０３０は吸収性ガラスマット（ＡＧＭ）から形成される。種々の実施形態において、隔離板層は、硫酸のような電解質を保持し、セルの正の電極と負の電極との間のイオン性移動を促進する。
【０１８０】
画像３００３は、中央マンドレルにセルスタックを巻き付ける１回転を実行しているときの、隔離板層３０３０の回りに形成される電極層３０４０を示す。電極層３０４０は、６つの隔離板半部品３０３２の上方に交互に存在する、３つの負の半電極３０４２及び３つの正の半電極３０４４を含む。詳細には（図３０Ａの段階３００３において、電極層３０４０内の６つの半電極が左から右に番号を付されると仮定して）、第１、第３及び第５の半電極は正の半電極３０４４であり、第２、第４及び第６の半電極は負の半電極３０４２である。
【０１８１】
負及び正の半電極の３つの隣接対は３つの配線によって接続される。すなわち、画像３００３に示されるように、３対はそれぞれ、第１及び第２の半電極、第３及び第４の半電極、並びに第５及び第６の半電極からなり、それぞれ配線３０４６によって接続される（図３０Ａには、全ての配線が示されるが、第１の配線のみが番号を付される）。そのように接続される各対は双極電極３０４８を形成する（図３０Ａには、全ての配線が示されるが、第１の対のみが番号を付される）。それゆえ、電極層３０４０は、３つの双極電極３０４８を含む。
【０１８２】
画像３００４は、中央マンドレルにセルスタックを巻き付ける１回転を実行しているときの、電極層３０４０の回りに形成される第２の隔離板層３０５０を示す。隔離板層３０５０は６つの隔離板半部品３０５２を含む。各隔離板半部品３０５２は６つのセルスタック３０１０のうちの１つに対応する。
【０１８３】
画像３００５は、中央マンドレルにセルスタックを巻き付ける１回転を実行しているときの、隔離板層３０５０の回りに形成される第２の電極層３０６０を示す。電極層３０６０は、６つの隔離板半部品３０５２の上方に、電極３０４０内の順序とは逆に交互に存在する、３つの負の半電極３０６２及び３つの正の半電極３０６４を含む。すなわち、各負の半電極３０６２が隔離板半部品３０５２の上方に存在し、隔離板半部品自体は、正の半電極３０４４の上方に存在する。逆に、正の半電極３０６４が隔離板半部品３０５２の上方に存在し、隔離板半部品自体は負の半層３０４２の上方に存在する。それゆえ、図３０Ａの画像３００５に示されるように（電極層３０６０内の６つの半電極が左から右に番号を付されると仮定して）、第１、第３及び第５の半電極は負の半電極３０６２であり、第２、第４及び第６の半電極は正の半電極３０６４である。
【０１８４】
画像３００５は、２つの配線３０６６によって形成される２つの双極電極を示す。詳細には、第１の双極電極は配線３０６６（図３０Ａの段階３００５内に図示され、番号を付される）によって第２の半電極及び第３の半電極を接続することによって形成される。更に、第２の双極電極は、配線３０６６（図３０Ａの段階３００５内に図示されるが、番号を付されない）によって第４の半電極及び第５の半電極を接続することによって形成される。第１の半電極は、負の半電極３０６２であり、端子配線によって左から外部に接続される。更に、第６の半電極は、正の半電極３０６４であり、別の端子配線３０６８によって右から外部に接続される。それゆえ、電極層３０６０は、左から、負の半電極３０６２、２つの双極電極、及び正の半電極３０６４を含む。
【０１８５】
したがって、図３０Ａの段階３００５において示されるようなセルパック３０００は、中央マンドレル３０２０の回りで丸められた６つのセルスタック３０１０を含む。第１、第３及び第５のセルスタックはそれぞれ、上から下の順に、負の半電極３０６２と、隔離板３０５２と、正の半電極３０４４と、別の隔離板３０３２とを含む。更に、第２、第４及び第６のセルスタックはそれぞれ、上から下の順に、正の半電極３０６４と、隔離板３０５２と、負の半電極３０４２と、別の隔離板３０３２とを含む。電極層３０４０では、第１のスタック及び第２のスタックが配線３０４６によって接続され、第３のスタック及び第４のスタックが別の配線３０４６によって接続され、第５のスタック及び第６のスタックが別の配線３０４６によって接続される。電極層３０６０では、第２のスタック及び第３のスタックが配線３０６６によって接続され、第４のスタック及び第５のスタックが別の配線３０６６によって接続され、第１のスタック及び第６のスタックはそれぞれ、端子配線３０６８によって外部に接続される。
【０１８６】
幾つかの実施形態では、セルスタックの長さは、中央マンドレルの回りに更に巻き付けられるほどの長さである。更に丸めることによって、それぞれ、図３０Ａ、画像３００５に示されるのに類似の別の１組のセルスタックが、その上に形成される。
【０１８７】
図３０Ｂは、幾つかの実施形態による、セルパック３０００を通って流れる電子流の経路を示す。電流の方向は矢印３０７１〜３０７７によって概略的に示される。詳細には、矢印３０７１及び３０７７は、セルパック３０００に入る電子、及びセルパックから出る電子を示しており、一方、矢印３０７２〜３０７６は、セルパック３００内のセルスタック３０１０内、及びセルスタック３０１０間の電子の流れを表す。より具体的には、矢印３０７１は、電子が、右側端子配線３０６８を通って第６のセルスタック３０１０の正の半電極３０６４に入ることを示す。
【０１８８】
電子は各セルスタックにおいて隔離板を通って流れ、その後、配線を通って隣接するセルスタックまで流れる。例えば、矢印３０７２は、第６のセルスタック３０１０において、電子は正の半電極３０６４から隔離板３０５２を通って負の半電極３０４２まで流れ、その後、第６のスタックを第５のスタックに接続する配線３０４６を通って第５のスタック３０１０の正の半電極３０４４まで流れることを示す。一方、矢印３０７３は、電子流が第５のスタック３０１０内で継続し、電子が正の半電極３０４４から隔離板３０５２を通って負の半電極３０６２まで流れ、その後、第５のスタックを第４のスタックに接続する配線３０６６を通って第４のスタック３０１０の正の半電極３０６４まで流れることを示す。矢印３０７４及び３０７６は、矢印３０７２によって示されるのと同じような、それぞれ第４のスタック及び第５のスタック内の電子流経路を示す。更に、矢印３０７５は、矢印３０７３によって示されるのと同じような、第３のスタック内の電子流経路を示す。最後に、矢印３０７６も、第１のスタックにおいて、電子が正の半電極３０４４から隔離板３０５２を通って負の半電極３０６２まで流れることを示す。
【０１８９】
図３１は、幾つかの実施形態による、渦巻き形モジュール３１００の断面を示す。図３１に示されるように、モジュール３１００は、モジュールケース３１０２と、ケースベント３１０４と、上部カバー３１０６と、正の端子３１０８と、負の端子３１１０と、正の集電器３１１２と、６つの円柱形セルスタック３１１６と、負の集電器３１２０と、中央マンドレル３１２２と、底部カバー３１２４とを含む。モジュール２９００又は３１００は任意の方向において用いることができ、用語「上部」及び「底部」は、単に図を参照するために使用される。各セルスタック３１１６は図３０Ａのセルスタック３０１０に類似の平坦なセルスタックを丸めることによって構築される円柱形スタックである。各セルスタック３１１６の断面は、上記のように、隔離板と、負又は正の半電極との交互層を含む。更に、幾つかの実施形態では、セルスタック３１１６の外層は隔離板層である。幾つかの実施形態では、外側隔離板は、数ある中でも、セル電解質のための貯留体として用いられる。
【０１９０】
幾つかの実施形態において、先に論じられた設計は、固体電池、鉛酸電池、燃料電池、又は幾つかのタイプの電気化学電池において用いられる。本開示の他の実施形態は、本明細書において開示される本発明の仕様を検討し、実践することから当業者には明らかになるであろう。例えば、開示される実施形態の種々の要素及び構成要素は、所望の用途に相応しいように、他の実施形態の他の要素又は構成要素と組み合わせることができる。したがって、その仕様及び例は単なる例示と見なされ、本開示の真の範囲及び趣旨は添付の特許請求の範囲によって指示されることを意図している。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１５Ｈ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図１９Ｆ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２６Ｄ】
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【図２６Ｅ】
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【図２６Ｆ】
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【図２６Ｇ】
2015507330.tif 000052
【図２６Ｈ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２９Ａ】
2015507330.tif 000060
【図２９Ｂ】
2015507330.tif 000061
【図２９Ｃ】
2015507330.tif 000062
【図２９Ｄ】
2015507330.tif 000063
【図２９Ｅ】
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【図３０Ａ】
2015507330.tif 000065
【図３０Ｂ】
2015507330.tif 000066
【図３１】
2015507330.tif 000067
【国際調査報告】
2015507330.tif 000068
2015507330.tif 000069
2015507330.tif 000070