(57)【要約】  電気的接続のような接続を繊維材料電極要素に形成する方法は、ある長さの繊維材料を加圧注入ステージに対して移動させることと、ラグ材料を、繊維材料のラグ区域部分に一連の加圧注入パルスで、加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させてラグ区域にラグストリップを形成することと、を含む。繊維材料は、炭素繊維材料であってもよく、ラグ材料は、ＰｂまたはＰｂ合金などの金属であってもよい。繊維材料電極要素への電気的接続を形成するための装置も開示される。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維材料電極要素への接続を形成する方法であって、ある長さの前記繊維材料を、加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、前記加圧注入ステージによって、ラグ材料を、前記繊維材料のラグ区域部分に、一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、前記繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させて、前記ラグ区域にラグストリップを形成することと、を含む、方法。
【請求項２】
導電性繊維材料電極要素への電気的接続を形成する方法であって、ある長さの前記導電性繊維材料を、加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、前記加圧注入ステージによって、導電性ラグ材料を、前記繊維材料のラグ区域部分に、一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、前記繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させて、前記繊維材料に電気的に接続された前記ラグ区域内のラグストリップを形成することと、を含む、方法。
【請求項３】
繊維材料電極要素への電気的接続を形成する方法であって、ある長さの前記繊維材料を、加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、前記加圧注入ステージによって、ダイ内の前記繊維材料の前記ラグ区域部分を含まずに、ラグ材料を、前記繊維材料のラグ区域部分に加圧含浸させて、前記繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させ、前記繊維材料に電気的に接続された前記ラグ区域内のラグストリップを形成することと、を含む、方法。
【請求項４】
前記繊維材料を、ヒートシンクコンベア上で運ぶことによって、前記繊維材料を、前記加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記繊維材料を、連続的にまたは段階的な移動で移動させることと、前記加圧注入ステージによって、前記繊維材料と前記加圧注入ステージとの間の相対的移動の間、ラグ材料を前記繊維材料の前記ラグ区域部分に、前記一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、複数の加圧注入パルスが、ラグ材料を前記繊維材料の異なる隣接部分に注入するが、前記ラグ区域に沿って連続したラグストリップを形成するようにすることと、を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記繊維材料が移動する速度、それぞれの注入器パルスで注入される溶融ラグ材料の体積、前記注入器パルスの持続時間及び周波数、ならびに少なくとも前記溶融ラグ材料の温度、を制御して、それぞれの新しい注入器パルスから前記繊維材料に含浸された前記溶融ラグ材料が、前の注入器パルスで注入された前記繊維材料の前記ラグ材料と溶融すると同時に合体して、連続したラグストリップを形成するようにすることと、を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記ラグストリップを横切って前記長さの前記繊維材料を切断後に、前記電極要素の外部接続のためのラグを、それぞれ有する複数の個別の電極要素を形成することを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記繊維材料が、約２００ミクロン未満の平均繊維間間隔を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記繊維材料の縁部を越えてラグ延在部を形成することを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記繊維材料が、炭素繊維材料である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属が、ＰｂもしくはＰｂ合金、ＺｎもしくはＺｎ合金、またはＣｄもしくはＣｄ合金、ＡｌもしくはＡｌ合金である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の方法によって形成される、前記繊維材料の長さに沿い、及び前記繊維材料の幅よりも小さい幅を有するラグストリップを備える、繊維材料。
【請求項１３】
前記繊維材料の長さに沿うラグストリップのある少なくとも１５０ｍｍの長さを有し、前記繊維材料の幅よりも狭い幅を有する繊維材料であって、前記繊維材料の前記繊維を包囲し、及び／または前記繊維材料の前記繊維に浸透し、かつ電気的に接続されるラグ材料の前記繊維材料への連続含浸を含む、繊維材料。
【請求項１４】
前記ラグストリップが、前記繊維材料の長さ方向の縁部にまたはその近くに形成され、前記繊維材料の縁部を越えてラグ延在部を含む、請求項１３に記載の繊維材料。
【請求項１５】
前記繊維材料が、炭素繊維材料である、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の繊維材料。
【請求項１６】
前記繊維材料が、約２００ミクロン未満の平均繊維間間隔を有する、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の繊維材料。
【請求項１７】
前記金属が、ＰｂもしくはＰｂ合金、ＺｎもしくはＺｎ合金、またはＣｄもしくはＣｄ合金、またはＡｌもしくはＡｌ合金である、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の繊維材料。
【請求項１８】
第１の材料の合体領域を第２の繊維材料の厚さ内にかつ厚さを貫通して形成する方法であって、ある長さの前記繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、前記加圧注入ステージによって、前記第１の材料を、前記繊維材料の領域の一部に、一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、前記繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させて、前記繊維材料内の前記含浸材料の領域を形成することと、を含む、方法。
【請求項１９】
合体領域第１の材料を、より大きな領域の第２の繊維材料の厚さ内にかつ厚さを貫通して形成する方法であって、ある長さの前記繊維材料を、加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、前記加圧注入ステージによって、前記第１の材料を、前記繊維材料の領域の一部に（ダイ内に前記繊維材料を含まずに）加圧含浸させて、前記繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させて、前記繊維材料内に前記含浸材料の領域ストリップを形成することと、を含む、方法。
【請求項２０】
前記繊維材料を、ヒートシンクコンベア上で運ぶことによって、前記繊維材料を前記加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることを含む、請求項１８または１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記繊維材料を、連続的にまたは段階的な移動で移動させることと、前記加圧注入ステージによって、前記第１の材料を前記繊維材料に、前記繊維材料と前記加圧注入ステージとの間の前記相対的移動の間、前記一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、複数の加圧注入パルスが第１の材料を前記繊維材料の異なる隣接部分に注入するが、連続領域を形成することと、を含む、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記繊維材料が移動する速度、それぞれの注入器パルスで注入される溶融材料の体積、前記注入器パルスの持続時間及び周波数、ならびに少なくとも前記溶融材料の温度、を制御して、それぞれの新しい注入器パルスから前記繊維材料に含浸された前記溶融材料が、前の注入器パルスで注入された前記繊維材料の前記材料と溶融すると同時に合体して、連続領域を形成するようにすることを含む、請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
繊維材料電極要素に電気的接続を形成するための装置であって、ある長さの前記繊維材料を、加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させるように、かつ前記加圧注入ステージによって、ラグ材料を前記繊維材料のラグ区域部分に、一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、前記繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させて、前記繊維材料に電気的に接続された前記ラグ区域にラグストリップを形成するように配置された、装置。
【請求項２４】
前記ラグストリップを、前記繊維材料の長さ方向の縁部またはその近くに形成するように配置された、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記ラグ材料を、前記繊維材料のラグ区域部分に含浸するように配置された第１の加圧注入器と、前記ラグ材料を、隣接する空隙に送達して前記繊維材料の前記ラグ区域部分に隣接する固体ラグ延在部を形成するように配置された第２の隣接する加圧注入器と、を含む、請求項２３または請求項２４いずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
前記ラグストリップを、前記繊維材料の長さ方向の縁部またはその近くに、及び前記繊維材料の前記縁部を越えて１つのまたは複数のラグ延在部を備えて形成するように配置された、請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記繊維材料をヒートシンクコンベア上で運ぶことによって、前記繊維材料を前記加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させるように配置された、請求項２３〜２６のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池またはセル繊維電極のような電極材料として一般に使用される繊維材料、特に繊維材料への接続、特に電気的接続を形成するための改良された方法及び機械に関し、そのように形成された材料、特にそのように形成された電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維、特に炭素繊維電極（または複数含む）を含む鉛電池またはセルでは、導電性繊維電極材料と外部回路へのコネクタまたはラグ（本明細書では一般にラグと呼ばれる）との間に、典型的には非常に低い電気抵抗及び機械的に耐久性のある接続が必要である。
【０００３】
本発明者らのＰＣＴ国際特許出願は、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透するために典型的にはダイ内のラグ材料を加圧含浸することを含む、導電性繊維材料電極要素上にラグを形成する方法を開示する。
【０００４】
複数の電極の高速大量生産を可能にするために、何らかの形の連続したラグ形成プロセスが必要とされる。
【発明の概要】
【０００５】
広義には、一態様では、本発明は、繊維材料電極要素への接続を形成する方法を含み、本方法は、ある長さの繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、加圧注入ステージによって、繊維材料のラグ区域部分にラグ材料を一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させ、ラグ区域にラグストリップを形成することと、を含む。
【０００６】
広義には、別の態様において、本発明は、電気的繊維材料電極要素への電気的接続を形成する方法を含み、本方法は、ある長さの繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、加圧注入ステージによって、繊維材料のラグ区域部分にラグ材料を一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させ、ラグ区域に繊維材料に電気的に接続されたラグストリップを形成することと、を含む
【０００７】
広義には、本発明は、導電性繊維材料電極要素への電気的接続を形成する方法を含み、本方法は、ある長さの導電性繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、加圧注入ステージによって、繊維材料のラグ区域部分に導電性ラグ材料を一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させて、ラグ区域に繊維材料に電気的に接続されたラグストリップを形成することと、を含む。
【０００８】
少なくともいくつかの実施形態では、加圧含浸は、繊維材料のラグ区域部分をダイ（密封されているかまたはされていない）に入れずに加圧含浸することを含む。
【０００９】
広義には、本発明は、繊維材料電極要素への電気的接続を形成する方法を含み、本方法は、ある長さの繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、加圧注入ステージによって、繊維材料のラグ区域部分に導電性ラグ材料をダイ内の繊維材料のラグ区域部分を含めずに一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させ、ラグ区域に繊維材料に電気的に接続された、ラグストリップを形成することと、を含む。
【００１０】
広義には、本発明は、繊維材料電極要素への接続を形成する方法を含み、本方法は、ある長さの繊維材料を、電極要素に連続的な圧力を印加する加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、加圧注入ステージによって繊維材料のラグ区域部分に材料を連続的に加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させ、ラグ区域に繊維材料に電気的に接続された、ラグストリップを形成することと、を含む。
【００１１】
広義には、本発明は、繊維材料電極要素への接続を形成する方法を含み、本方法は、ある長さの繊維材料を、電極要素に連続的な圧力を印加する加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、加圧注入ステージによって繊維材料のラグ区域部分にラグ材料を連続的に加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させ、ラグ区域に繊維材料に電気的に接続された、ラグストリップを形成することと、を含む。
【００１２】
典型的には、本方法は、繊維材料を連続的にまたは段階的な移動で移動させることと、加圧注入ステージによって、ラグ材料を繊維材料と加圧注入ステージの間の相対的移動の間、繊維材料のラグ区域部分に一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、複数の加圧注入パルスがラグ材料を繊維材料の異なる隣接部分に注入するが、ラグ区域に沿って連続したラグストリップを形成することと、を含む。
【００１３】
本発明の方法は、一連の加圧注入パルスが制御された一連の加圧注入パルスであることを必要とする場合がある。
【００１４】
本発明の方法は、ダイ内の繊維材料のラグ区域部分を含まずに実施することができる。
【００１５】
その後、その長さの繊維材料を、ラグストリップを横切って切断して、電極要素の外部接続のためのラグをそれぞれ有する複数の個別の電極要素を形成することができる。
【００１６】
少なくともいくつかの実施形態では、連続したラグは、約１ｍｍ〜約２００ｍｍの範囲の材料の平面に沿った幅を有し、加圧含浸は、ラグ材料を、約０．１〜約１０ｍｍ2の範囲の面積のオリフィスから繊維材料内に送達することを含む。
【００１７】
少なくともいくつかの実施形態では、
・加圧含浸は、繊維材料の表面と接触するか、または繊維材料の表面から２ｍｍ以下の間隔を置いたオリフィスからラグ材料を繊維材料に送達すること、及び／または
・それぞれの加圧注入パルスの持続時間は、約０．１秒〜約２秒の範囲内にあり、及び／または
・繊維材料と加圧注入ステージとの間の相対運動の速度は、約０．０１ｍ／ｓ〜１０ｍ／ｓの範囲であり、及び／または
・個々のオリフィスによって送達されるそれぞれの加圧注入パルスの体積は、１ｃｍ３未満であり、及び／または
・注入時のラグ材料と繊維材料との間に温度差が存在し、例えば、注入時の温度は約３００℃〜約５００℃であり、繊維材料の温度は３００℃未満であり、及び／または
・加圧パルスの周波数が少なくとも１Ｈｚであること、及び／または
・一連の圧力パルスによって送達されるときのラグ材料は、電気的及び／または機械的に接続され得るラグ材料の連続ストリップを備え、及び／または
・一連の加圧パルスは、１パルス／０．１ｍ〜約２００パルス／０．１ｍの範囲の速度で供給することができる。
【００１８】
少なくともいくつかの実施形態では、それぞれの加圧注入パルスの圧力は、それぞれのパルスの開始時または開始に向かうよりも、パルスの終了時または終了に向かうほうが高い。
【００１９】
広義には、別の態様においては、本発明は、繊維材料の長さに沿い、そして繊維材料の幅よりも小さい幅を有するラグストリップを備えて少なくとも１メートルの長さを有する繊維材料を含み、繊維材料の繊維を包囲し、及び／または浸透させ、電気的に接続するラグ材料を繊維材料に連続含浸させることを含む。
【００２０】
繊維材料は、少なくとも１０メートルの長さを有することができる。
【００２１】
ラグストリップは、繊維材料の長さ方向の縁部またはその近くに形成され、繊維材料の縁部を越えて突出部延在部を含むことができる。
【００２２】
典型的には、繊維材料は、流体交絡炭素繊維材料、フェルト炭素繊維材料、または編まれたまたは織られた炭素繊維材料のような不織布のような炭素繊維材料のような非金属材料である。この材料は、約２５０ミクロン未満、いくつかの実施形態では約２００未満、約１００ミクロン未満、約５０ミクロン未満、約２０ミクロン未満、または約１０ミクロン未満の平均繊維間間隔を有する。
【００２３】
いくつかの実施形態では、含浸材料は、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、または少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％、または少なくとも約９８％、または少なくとも約９９％を含浸する。
【００２４】
上記のすべての実施形態において、繊維材料は、フェルト材料、織物材料（交差経糸及び緯糸繊維を含む）または編物材料のような不織材料であってもよい。材料は、炭素繊維材料、例えば不織布、編物または織り炭素繊維布、あるいはガラス繊維またはシリコン系繊維状材料であってもよい。繊維、例えば炭素繊維は、典型的には多繊条であるが、単繊条であってもよい。いくつかの実施形態では、繊維材料は、約２５０ミクロン未満、または約２００ミクロン未満、約１００ミクロン未満、約５０ミクロン未満、約２０ミクロン未満、または約１０ミクロン未満の平均繊維間間隔を有する。繊維の直径は、約１ミクロン〜約３０ミクロン、約４ミクロン〜約２０ミクロン、約５ミクロン〜約１５ミクロンの範囲であり得る。（含浸されていない）材料中の空隙率は、例えば、少なくとも約５０％、または少なくとも約６０％、または少なくとも約７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも約９５％、または少なくとも約９８％、もしくは少なくとも約９９％であり得る。
【００２５】
いくつかの実施形態では、含浸ラグ材料は金属である。一実施形態では、金属は、ＰｂまたはＰｂ合金（本明細書では両方ともＰｂとして包括的に呼ばれる）である。別の実施形態では、金属は、ＺｎまたはＺｎ合金（本明細書では両方とも、包括的にＺｎと呼ばれる）である。別の実施形態では、金属はＣｄまたはＣｄ合金（本明細書では両方とも包括的にＣｄと呼ばれる）である。別の実施形態では、金属はＡｌまたはＡｌ合金（本明細書では両方ともＡｌと包括的に呼ばれる）である。あるいは、含浸ラグ材料は、例えば、導電性ポリマーのようなポリマー材料であってもよい。
【００２６】
いくつかの実施形態では、繊維材料は、電気アーク放電によって処理された炭素繊維材料であってもよい。炭素繊維材料は、炭素繊維材料を反応チャンバ内で、材料の一方の側の複数の隣接する電極を含む電極間の隙間の電気アークまたは複数の隣接する電極を通過して移動させることにより、電気アークが、それぞれの電極と材料との間に存在するように電気アーク処理される。他の実施形態では、電極電流コレクタ材料として使用するための炭素繊維材料は、例えば１２００〜２８００℃の範囲の高温で熱処理することができる。そのような処理は、材料の電気伝導率を増加させることができる。
【００２７】
セルまたは電池において、正極または電極、負極または電極、またはその両方は、本発明に従ったラグ付きの繊維材料の１つ以上の層で形成することができる。本発明は、鉛酸（Ｐｂ酸）電池の電極に関して時々ここに記載されているが、例えば、Ｌｉイオン電池のような他の電池タイプ、及び太陽電池の電極、コンデンサまたはスーパーコンデンサにおけるような他の用途にも適用可能である。
【００２８】
いくつかの実施形態では、本発明は、本発明の及び／または本明細書で教示される方法に従って製造されるＰｂ酸電池を含むハイブリッド自動車両を含む。他の実施形態では、ハイブリッド自動車両は、停止ー始動及び／または回生制動機能を有する。他の実施形態では、電池は、車両エンジンがオフのときに付属負荷を処理することができる。
【００２９】
本発明の製造方法及び製品の利点は、その後に個々の電極に切断される連続繊維材料が、その上に一連の個々の分離ラグセグメントではなく連続したラグストリップを形成することである。この連続したラグストリップは、その後の製造ステップ及び連続繊維材料を個々の分離した電極に切断する前に実行される、活性材料によるペーストなどの、取り扱い中に、連続繊維材料を強化するように作用する。一連の個々の分離したラグセグメントではなく、連続した繊維材料に沿った連続したラグの存在は、その後の製造ステップを介して連続繊維材料の供給を容易にする。
【００３０】
広義には、さらなる態様において、本発明は、繊維材料電極要素に電気的接続を形成する装置であって、ある長さの繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させ、加圧注入ステージによって、繊維材料のラグ区域部分にラグ材料を一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維を浸透させて、ラグ区域にラグストリップを形成するように配置される。
【００３１】
広義には、さらなる態様において、本発明は、導電性繊維材料電極要素に電気的接続を形成する装置であって、ある長さの導電性繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させ、加圧注入ステージによって、繊維材料のラグ区域部分に一連の加圧注入パルスで導電性ラグ材料を含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維を浸透させて、繊維材料に電気的に接続されたラグストリップをラグ区域に形成するように配置される。
【００３２】
広義には、さらなる態様において、本発明は、繊維材料電極要素に電気的接続を形成する装置であって、ある長さの繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させ、加圧注入ステージによって、繊維材料のラグ区域部分にラグ材料を一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させて、繊維材料に電気的に接続されたラグストリップをラグ区域に形成するように配置される。
【００３３】
いくつかの実施形態では、装置は、ラグストリップを繊維材料の長さ方向の縁部またはその近傍に形成するように配置される。いくつかの実施形態では、装置は、ラグストリップを繊維材料を横切って横方向に形成するように配置される。いくつかの実施形態では、ラグストリップは、繊維材料の縁部を越える１つまたは複数のラグ延在部をさらに含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のラグ延在部は、例えばスタンピングによってラグストリップから切り取ることができる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、装置は、ヒートシンクコンベア上で繊維材料を運ぶことによって、繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させるように配置される。いくつかの実施形態では、ヒートシンクコンベヤは回転ドラムを備え、繊維材料は回転ドラムと加圧注入ステージとの間のニップを通過する。
【００３５】
本明細書において、「ラグ」は、物理的または機械的形態にかかわらず、繊維電極の外部接続を可能にする任意の導電性要素またはコネクタを意味する。
【００３６】
この明細書では、「ラグ範囲（ｌｕｇ  ｒｅｇｉｏｎ）」及び「ラグ区域（ｌｕｇ  ｚｏｎｅ）」は互換的に使用され、同じ意味を有し、ラグの形成後に繊維材料を封入するラグ材料のマトリックスを含む繊維材料の範囲を指し、場合によりラグ区域は、また、連続して、またはこのマトリックスの側面に間隔をおいて、固体ラグ材料の延在部を含むことができる。
【００３７】
本明細書において、ラグに関連する「マトリックス」は、長さ、幅及び深さを有する３次元構造のラグ区域に繊維材料を封入するラグ材料を指す。
【００３８】
本明細書において、「ハイブリッド車両」とは、アイドルストップ（停止ー開始機能）、回生制動、及び一方または他方または両方が運転機能を含むことができる内燃機関と電動モータとの任意の組合せを組み込んだ車両のことを指し、ハイブリッド車両はまた、部分ハイブリッド車両のみであってもよい車両を含むことができる。
【００３９】
より一般的には、本発明の方法は、電極要素ではない繊維材料への電気的接続を形成するために、またはさらに一般的には、導電性でない第１の材料を、繊維材料に電気的接続を形成するのではなく、代わりに他の工業目的のために繊維材料に含浸させるために、使用され得、そして、したがって前述よりもさらに広義には、第１の材料の合体領域を第２の繊維材料の厚みの中及びに貫通させて形成する方法を含むと言うことができ、ある長さの繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、加圧注入ステージによって、繊維材料の領域の一部に第１の材料を一連の加圧注入パルスで加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させて、繊維材料内に含浸材料の領域を形成することと、を含む。
【００４０】
広義には、さらなる態様において、本発明は、合体領域第１の材料を、より大きな領域の第２の繊維材料の厚さ内及びそれを通して形成する方法を含み、本方法は、ある長さの繊維材料を加圧注入ステージに対して、またはその逆に移動させることと、加圧注入ステージによって繊維材料の領域の一部に第１の材料を（ダイ内に繊維材料を含まずに）加圧含浸させて、繊維材料の繊維を包囲し及び／または繊維に浸透させ、繊維材料中に含浸材料の領域ストリップを形成することと、を含む。
【００４１】
さらに、本発明の方法を使用して、繊維材料の長さ及び幅に沿った繊維材料の引張強さを増加させて、そうでない場合よりも強くすることができる。
【００４２】
本明細書で使用される用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、「少なくとも部分的に〜からなる」を意味する。本明細書において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語を含むそれぞれの記述を解釈する場合、その用語の前に記載された特徴以外の特徴も存在し得る。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などの関連用語も同様に解釈されるべきである。
【００４３】
本発明の実施形態は、例として添付の図面を参照してさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の方法の実施形態によって形成されたＰｂラグを有する炭素繊維材料電極を示す。
【図２】炭素繊維材料とラグの多層を含む電極の概略断面図である。
【図３】図２と同様であるが炭素繊維材料とラグの単一層を含む電極の概略的断面図である。
【図４】その上に接近して形成されたＰｂラグストリップを有する炭素繊維材料の一部の概略図を示す。
【図５】加圧注入ヘッドの下を通過する炭素繊維材料の概略的断面図である。
【図６】加圧注入ステージの概略断面図である。
【図７】単一の長さ方向縁部ラグストリップを形成するための実施形態における加圧含浸ステージに出入りする繊維材料の概略平面図である。
【図８】長さ方向の両縁部に沿ってラグストリップを形成するための別の実施形態における加圧含浸ステージに出入りする繊維材料の概略平面図である。
【図９Ａ】実験例に記載されているようなＰｂラグストリップが形成された炭素繊維フェルトの断面の上側及び下側の画像である。
【図９Ｂ】実験例に記載されているようなＰｂラグストリップが形成された炭素繊維フェルトの断面の上側及び下側の画像である。
【図１０Ａ】実験例に記載されているような炭素繊維フェルト上に形成されたＰｂラグストリップ（単独）の一部の下側及び上側の画像である。
【図１０Ｂ】実験例に記載されているような炭素繊維フェルト上に形成されたＰｂラグストリップ（単独）の一部の下側及び上側の画像である。
【図１１】炭素繊維フェルト上に形成されたＰｂラグストリップの一部の下面のＳＥＭ画像である。
【図１２Ａ】炭素繊維フェルト上に形成されたＰｂラグ片（単独）を切断したＳＥＭ像である。
【図１２Ｂ】図１２Ａよりも高い倍率のＳＥＭ画像であり、低い空隙率を有する個々の繊維の周囲及び間に含浸するＰｂを示す。
【図１３】ラグ成形機の一実施形態の透視図である。
【図１４】図１３のラグ成形機の側面図である。
【図１５】図１３のＩＩ−ＩＩ線に沿ったラグ成形機の概略縦断面図である。
【図１６】図１３のＩＩ−ＩＩ線に沿ったラグ成形機の拡大概略縦断面図であり、より大きいスケールで動作部品を示すために拡大されている。
【図１７】図１３のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったラグ成形機の側面図である。
【図１８】図１６の注入器ヘッドの図１３のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略的縦断面図であり、より大きいスケールで動作部品を示すために拡大されている。
【図１９】図１６のものに類似した拡大概略縦断面図であるが、注入器ヘッドの代替の実施形態のものである。
【図２０】２０１／２０２の図１９の代替的な実施形態の注入器ヘッドの、図１８と同様の拡大概略断面図であり、さらに拡大して示している。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
ラグ
図１は、本発明の加圧含浸実施形態によって繊維材料上に形成された、例えば、Ｐｂラグのようなラグの１つの形状を有する、Ｐｂ酸セルまたは電池用の、炭素繊維のような導電性繊維電極の一部分を、示す。繊維材料は１で示され、ラグは２で示されている。ラグは、繊維材料の厚さ（単一または複数の層）同様の厚さ（材料の平面を通る寸法）を有しても、またはより薄い厚さでもよく、もしくはより厚いものであってもよい。図２は、ラグ区域５０と電極区域５１の両方を示す同様の電極の概略的断面図である。図２の電極は、繊維材料の複数の層１とラグ２を含む。図３は、図２のものと同様の電極の概略断面図であるが、炭素繊維材料とラグの単一層を含む。示された実施形態では、ラグは、ラグ材料のみ、すなわちＰｂのような固体ラグ材料を含む、繊維材料の縁部を越えるラグ延在部３を有する。ラグは、典型的には、ＰｂもしくはＰｂ合金、ＺｎもしくはＺｎ合金、またはＣｄもしくはＣｄ合金、またはＡｌもしくはＡｌ合金などの金属から形成されるが、その代わりに、導電性ポリマーのような、他のラグ材料で形成されてもよい。
【００４６】
図示の実施形態では、ラグは、単一の上部縁部である電極の単一の縁部に沿って延びているが、電極の２つ以上の縁部に沿ってラグが延びていてもよく、ラグは、曲がっているまたは湾曲（アーチ状に）していてもよく、及び／または電極及び／または電極区域の中央領域を横切って延びるように形成されてもよい。さらに、後述するようにラグと同じ方法で形成され、ラグ区域から電極区域内の任意の位置に延びる横方向／マクロスケール電流コレクタ５２を設けることができる。好ましくは、マクロスケール電流コレクタは、ラグ区域の直径方向に対向する電極の縁部まで延びる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、電極材料の繊維の実質的にすべてまたは少なくとも大部分が、電極を横切ってラグへまたはラグを通って連続的に延びる。
【００４８】
繊維材料は、流動絡合、フェルト、編みまたは織り繊維織物のような不織布、特に流体絡合、フェルト、編みまたは織り炭素繊維織物のような不織布であってもよい。あるいは、材料は、ガラス繊維またはシリコン系繊維状材料であってもよく、典型的にはＰｂフィルムまたはコーティングのような金属のような導電性材料で被覆されていてもよい。繊維、例えば炭素繊維は、典型的には多繊条であるが、単繊条であってもよい。少なくともいくつかの実施形態では、繊維材料は、約２５０ミクロン未満、約１００ミクロン未満、約５０ミクロン未満、約２０ミクロン未満、または約１０ミクロン未満の平均繊維間間隔を有する。少なくともいくつかの実施形態では、繊維の直径は、約１ミクロン〜約３０ミクロン、約４ミクロン〜約２０ミクロン、または約５ミクロン〜約１５ミクロンの範囲である。（含浸されていない）材料中の空隙率は、約５０％〜少なくとも約９９％、約４０％〜約９９％、または約３０％〜約９８％、または約２０％〜約９８％、または約１５％〜約９８％、または約１０％〜約９５％である。この含浸されていない材料の空隙率は、繊維材料の繊維によって占められていない空間（空隙率）である。
【００４９】
いくつかの実施形態では、含浸材料は、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７８０％、または少なくとも約８０％、または少なくとも約９０、または少なくとも約９５％、もしくは少なくとも約９８％の空隙率の繊維材料を有する。この未含浸材料の空隙率は、繊維材料それ自体または繊維材料を含浸させた含浸材料が占めていない空間（空隙率）であり、すなわち含浸された後の未含浸材料の空隙残量である。
【００５０】
いくつかの実施形態では、繊維材料中の繊維間空隙率（繊維によって占められていない寸法の外側の材料によって画定された全体積の割合−未含浸材料中の）は、繊維の間の繊維間空隙への間のラグ材料の含浸によって、本来の繊維間空隙の少なくとも約５０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９８％、または少なくとも約９９％まで減少する。
【００５１】
いくつかの実施形態では、繊維材料の繊維は多繊条繊維であり、含浸ラグ材料も繊条間に浸透し、繊維間空隙率も低下する。いくつかの実施形態では、繊維空隙率も、含浸されていない繊維間空隙率の約４０％、約３０％、約２５％、約２０％、約１０％、約５％、または約１％まで減少する。
【００５２】
ラグ材料のマトリックスは、ラグ区域にマイクロスケール炭素繊維電極材料を封入する。非常に低い電気抵抗接続が、マイクロスケール炭素繊維電極材料とラグとの間に形成される。また、ラグ材料と繊維との間の空隙が最小限に抑えられ、電池電解質がその後にラグ−繊維接続部に入り、接続部を劣化させることを防止または最小化するので、接続部はより耐久性がある。
【００５３】
任意に、ラグ材料と繊維及び／または繊条との間の任意の残存（開放セル／多孔性）空隙は、電解質に対して実質的に不活性な材料、例えばエポキシなどの非導電性ポリマーで充填することによって減少させることができる。
【００５４】
場合により、（電解質に対して不活性ではない）含浸材料は、不活性材料障壁によって電解質のバルクから保護される。
【００５５】
場合により、含浸ラグ材料は、導電性であるがチタンのようなＰｂ酸電池電解質のような電池電解質に対して実質的に不活性な材料であってもよい。
【００５６】
導電性または炭素繊維材料は、電極の任意の平面内の寸法よりも約１０，２０，５０、または１００倍のような何倍も小さいような（電極の長さ及び幅に対して横方向または平面寸法内の）厚さを有することができる。厚さは、例えば約５ｍｍ未満または約３ｍｍ未満または約２ｍｍ未満または約１．５ｍｍ未満または約１ｍｍ未満もしくは約０．２ｍｍ未満であり得る。電極の面内の長さ及び幅の寸法のそれぞれは、例えば、約５０または約１００ｍｍよりも大きくてもよい。このような電極は、薄い厚さを有する平面形状を有する。好ましい形態では、電極は実質的に平坦であり、電極の少なくとも１つの縁部に沿った外部接続のための金属ラグから、約１００ｍｍ未満または約７０ｍｍ未満、または約５０ｍｍ未満、または約３０ｍｍ未満（例えば、横方向／マクロスケール電流コレクタの有無にかかわらず）の寸法を有する。あるいは、このような平面形状は、例えば、円筒形電極に形成されてもよい。
【００５７】
連続したラグの製造
本発明によれば、複数の電極の高速大量生産を可能にするために、連続繊維材料が、例えば、材料の何メートルものロールから巻き離され、連続的に、または少なくとも段階的な移動で移動され、ラグ材料が、繊維材料に一連の加圧注入パルスで加圧含浸される。複数の加圧注入パルスは、ラグ材料を繊維材料の異なる隣接部分に注入するが、ラグ区域に沿って連続したラグを形成することができる。ラグ材料は、好ましくは、それが対向する側の表面または側面に注入される表面または側面から繊維材料に浸透する。典型的には、繊維材料はシート（平面）形態である。本発明の方法は、ダイ内の繊維材料のラグ区域部分を含まずに実行することができる。その後、その長さの繊維材料を、ラグストリップを横切って切断して、電極要素の外部接続のためのラグをそれぞれ有する複数の個別の電極要素を形成することができる。あるいは、加圧注入ステージは、連続繊維材料の長さに沿って移動させることができる。本発明の方法は、繊維が加圧注入ヘッドを通過する際に連続的な加圧注入を適用することによって実施することができる。
【００５８】
図４は、ラグストリップ１１がその上に形成されている繊維材料１０の一部を接近して示す。繊維材料１０は、注入ヘッドの下の矢印Ａの方向に含浸中に移動し、一方、複数の加圧注入パルスが溶融ラグ材料をそれが移動するにつれて繊維材料に注入する。例えば、繊維材料は、張力のある金属バンドまたは回転ドラムのような金属コンベアのようなヒートシンクとして働くコンベヤ上を移動し、一方、複数の加圧注入パルスが溶融ラグ材料をそれが移動するにつれて繊維材料に注入する。材料が注入器ヘッドの下を移動する速度、それぞれの注入器パルスまたはショットで注入される溶融ラグ材料の体積、注入器パルスの持続時間及び周波数、注入器パルス間の持続時間、繊維材料及び溶融ラグ材料の温度は、それぞれの新しい注入器パルスからそれぞれの材料に含浸された溶融ラグ材料が、前の注入器パルスで注入された繊維材料のラグ材料と溶融すると同時に合体して、連続したラグストリップ１１を形成するように、調整される。これは、あまりにも多くのラグ材料が、繊維材料の上面または下面の限界を超えて、または繊維材料内の所望の経路を超えてこぼれるように導入されないことを確実にする制御されたプロセスである。
【００５９】
図４において、ラグストリップ１１の長さに沿った円は、連続注入パルスによって注入されたラグ材料を概略的に示している。これらの連続パルスによって注入されたラグ材料は、個々に電気的及び／または機械的に接続及び／または連結されて、連続したラグストリップを提供する。このストリップは、外部環境に対してほとんど影響されない。それぞれの連続パルスの間のこの接続を可能にするために、例えば、それぞれの加圧注入パルスの持続時間は、約０．１秒〜約２秒、または約０．１秒〜１秒、または約０．１秒〜約８０ミリ秒、または約０．１ミリ秒〜約５０ミリ秒、または約０．１ミリ秒〜約３０ミリ秒、または約０．１ミリ秒〜約１０ミリ秒であり、例えば、注入器パルスは、約０．１秒〜約２秒、または約０．１秒〜１秒、または約０．１秒約８０ミリ秒、または約０．１〜約５０ミリ秒、または約０．１〜約３０ミリ秒、または約０．１〜約１０ミリ秒であり、繊維材料と加圧注入ステージとの間の相対移動速度が約０．０１ｍｓ〜１０ｍ／ｓ、または約０．０１ｍ／ｓ〜８ｍ／ｓ、または約０．０１ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓである。他の実施形態では、加圧パルスの速度は、１Ｈｚより大きく、５Ｈｚより大きく、１０Ｈｚより大きく、または２０Ｈｚよりも大きい。他の実施形態では、機械方向に移動するときの０．１ｍ長さのラグ区域あたりの一連のパルスは、１パルス／０．１ｍ〜２００パルス／０．１ｍの範囲内、または５パルス／０．１ｍ〜１５０パルス／０．０１ｍの範囲内、または１０パルス／０．０１ｍ〜１２５パルス／０．０１ｍ、または２０パルス／０．０１ｍ〜１００パルス／０．０１ｍ、３０パルス／０．０１ｍ〜９０パルス／０．０１ｍの範囲内であり得る。
【００６０】
注入ラグ材料が注入されると、ヒートシンクコンベアへの伝導によって主に冷却され、また注入器ヘッドから機械方向に離れるにつれて冷却されて凝固する。したがって、繊維材料に含浸された連続固体ラグストリップ１１は、繊維材料の長さに沿って形成される。連続したラグストリップは、例えば、約２〜約１５０ｍｍの範囲の幅を有することができる。ラグストリップは、繊維材料の長さ方向（機械方向）縁部の一方または両方に沿って、またはその近くに、または繊維材料の中心に形成され、その長さの繊維材料は、個々の電極セグメントへと横方向だけでなく、長さ方向にも切断される。また、横方向／マクロスケール電流コレクタは、また、備えられれば、例えば、約２〜約１５０ｍｍの範囲の幅を有してもよい。一例として、繊維材料、ヒートシンクコンベア、及び溶融ラグ材料の温度に関して、繊維材料及びバンドの初期温度が１５℃であり、次いで溶融ラグ材料の過熱は、Ｐｂであった場合、Ｐｂの融点より約２５℃高いが、融点より１５０℃高い可能性がある。
【００６１】
少なくともいくつかの実施形態では、それぞれの加圧注入パルスの圧力は、それぞれのパルスの開始時または開始に向かうよりも、パルスの終了時または終了に向かうほうが高い。それぞれの注入器パルスにおいて、繊維材料に含浸する第１のラグ材料は凝固し始め、したがって液体が少なくなり、同じパルスによって注入されたラグ材料の後半部分がより高い圧力で材料に押し込まれると、含浸ラグ材料はさらに繊維材料の中に入る。
【００６２】
図５は、出口オリフィス１３を有する加圧注入ヘッド１２の下を通過する繊維材料１０の概略断面図であり、図６は、加圧注入ステージのより大きな概略断面図である。それぞれのオリフィス１３は、例えば、溶融材料の１ｃｍ３以下を送達する領域を有してもよい。注入器ヘッドは、それを通って移動する繊維材料１０の表面に接触してもよいし、図示のように、例えばその自由深さの約１０〜２０％だけわずかに圧縮していても、もしくは繊維材料の表面から例えば１０ｍｍ以下だけ上部に離間されてもよい。注入器ヘッドによる繊維材料の圧縮は、繊維材料の上面を横切る溶融Ｐｂの過度の広がりを制限するのを助け、その代わりに溶融鉛が繊維材料に入るのを助ける。
【００６３】
図７は、一実施形態における加圧含浸ステージ１４に出入りする繊維材料１０の概略平面図である。図８は、別の実施形態における加圧含浸ステージ１４に出入りする繊維材料１０の概略平面図である。繊維材料は機械方向Ａに移動する。図７の実施形態の圧力含浸ステージ１４では、連続したラグストリップ１１が、繊維材料の一方の長さ方向縁部に沿って、また繊維材料の縁部を越えて間隔をあけたラグ延在部３とともに形成される。繊維材料及びラグストリップを横切る破線は、個々の電極要素を形成するためにその後切断される場所を示す。図８の実施形態の圧力含浸ステージ１４では、連続したラグストリップ１１が、繊維材料の両方の長さ方向縁部に沿って、場合によっては繊維材料の両縁部を越えて間隔をあけたラグ延在部３を伴って形成される。あるいは、ラグ延在部は、ラグ形成機にライン内にまたは別個に設けられたスタンピング機械のような別個の切断機によって切り取ることができる。ラグストリップはさらに、所望のラグサイズ及び形状を形成するために過剰を除去するためにトリミングステージを経ることができる。ラグ延在部を形成するためのトリミング及び／または追加の切断ステージからのそのようなトリミングされたラグ材料は、除去されたトリミング物を捕捉し、再使用される溶融金属を保持するタンク内にトリミング物を戻す網状化システムによって捕捉することができる。
【００６４】
また、図８の実施形態では、加圧注入ステージは、繊維材料の長さ方向縁部に沿ってラグストリップ１１の間で繊維材料を横切ってラグストリップ１８を形成する。図７の実施形態の変形例では、このような横方向ラグストリップ１８は、繊維材料の縁部に対向する長さ方向縁部に沿って、または繊維材料の幅を横切って部分的に延びることができる。再び図８を参照すると、繊維材料の長さ方向縁部に沿ったラグストリップ１１は、ラグ材料が連続的に近接して注入されて縁部ラグストリップ１１を形成するａ及びｚで概略的に示される注入ステージ１４の最も外側の注入オリフィスによって形成され、間隔をあけた横方向のラグストリップ１８は、繊維材料が注入ステージの下を移動するときにラグ材料が周期的にのみ注入される間の複数の注入オリフィスｂ−ｙによって形成されてもよい。作動時には、すべて同じ時間に同時にラグ材料を注入するように動作し、注入オリフィスは互いに離間しているので、それぞれ同時に繊維材料に含浸されたラグ材料が合体して凝固して、繊維材料の幅を横切って固体ストリップを形成する。
【００６５】
図６は、圧力含浸ステージの概略断面図である。同様の参照符号は、上記と同じ部分を示す。オリフィス１３を通って繊維材料１０に注入される溶融金属は、チャンバ１５内で往復運動するピストンによってオリフィスを通って加圧される。設定容量のラグ金属を繊維材料に注入する１回のピストンストロークは、注入器の１つの「パルス」を含むことができる。注入器システムは、注入圧力を増加させて、繊維への金属の注入圧力それぞれのパルスの開始時または開始に向かうよりも、パルスの終了時または終了に向かうほうが高くなるように構成することができる。図５に示す単純な単一バルブ機械システムの場合、バルブの閉鎖はかなりのサイクル時間を要し、溶融金属は閉鎖されるまで減速してバルブを通ってリークする。したがって、ピストン運動に起因して注入器オリフィスの上の空間に利用可能な圧力は、バルブが閉じると徐々に最大に増加する。
【００６６】
図１３〜図１８は、ラグ成形機の一実施形態を示す。この実施形態では、機械は、機械を通過するときに連続繊維材料の対向する長さ方向縁部に沿って連続したラグを形成するために、横並びの圧力注入器２０１及び２０２を備える。注入器は、回転ドラム５００の形態のコンベアの上に取り付けられ、すべてがフレーム２０３によって支持される。ドラムコンベヤ５００は、ドラムが繊維材料の全幅を支持するように、繊維材料の機械方向を横切る幅に等しいかそれより大きい回転軸を横切る幅を有する。
【００６７】
動作中、注入器ヘッド２０１及び２０２からの加圧注入パルスがラグ材料をいずれかの縁部に沿って繊維材料に含浸させて、それぞれ縁部に沿って連続したラグを形成するときに、繊維材料は、回転ドラム５００と加圧注入ヘッド２０１及び２０２との間のギャップを通過する。図１６は、図１３の線ＩＩ−ＩＩに沿った拡大概略縦断面図であり、ラグストリップ１０１が形成された繊維材料１００の一部分を接近して示している。繊維材料１００は、注入器ヘッドの下で矢印Ｄの方向に含浸中に移動し、溶融Ｐｂを急速に冷却して隙間を出て急速に冷却するヒートシンクコンベヤとしても機能する回転ドラムによって支持される。
【００６８】
さらに、図１６は、より大きなスケールの注入器２０１／２０２の操作部を示す。注入器ピストン２０７は、矢印Ｇで示すようにピストンブロック２０８内のシリンダ２１０内を往復運動し、それぞれ下向きのストロークで、ピストン２０７が弁シート２１２に対して着座してポート２１１を閉じるまで、ポート２１１を通じてシリンダ２１０を満たす加熱されたリザーバ２０９からの溶融ラグ材料を押圧する。足または注入器ヘッド２１５の下面は、繊維材料が注入器ヘッド２１５とドラム５００との間の隙間に保持されるように、ドラム５００と一致するような半径で湾曲され、例えば上述した２つの間の繊維材料の自由厚さの約８０％のようにわずかに圧縮され得る。ブロック２０８にヒータ５０１を設けて、ブロックがシリンダまたはポート内の溶融材料を部分的に冷却または凍結させない温度に維持されるようにすることができる。図１８も参照すると、溶融ラグ材料は、注入器ヘッド２１５に設けられたチャンバ２１３内のポート２１１から出る。溶融ラグ材料は、プレート２１４の周りを流れ、すべての注入器出口オリフィス２１７及び出口オリフィス２１７から繊維材料の一部へ、及び繊維材料に隣接する空隙への溶融物流の均等な分配を確実にして、共にラグ区域を形成する鉛の複合区域と繊維と固体鉛区域を形成する。ピストンが次の下方ストロークの前に上方に移動すると、ピストンが次の注入パルスでピストンが下方に移動する前に、溶融Ｐｂは、リザーバ２０９からシリンダ２１０を再充填する。オリフィス２１７を出る溶融Ｐｂは、繊維材料及び注入器２０２の下を通過する隣接する空隙を含浸し、材料がドラム５００と注入器ヘッド２０１との間の空間を出るときに急速に冷却して連続したラグを形成する。このシステムは、ブロック２０８と注入器ヘッド２１５とドラム５００の温度制御を必要とし、溶融鉛流が注入／鋳造点から下流で十分に迅速に凍結または凝固して上流の溶融鉛への障壁を作り出すことを確実にするが、注入／鋳造点の下に閉塞を引き起こすほどには速く凍結しない。
【００６９】
図１９は図１６と同様であり、図２０は図１８と同様であるが、さらに拡大して示しており、図１９及び図２０は注入器２０１／２０２の別の実施形態の操作部を示している。他に示されていない限り、図１９及び２０における同じ参照符号は、図１６及び図１８と同じ部分を示し、これらは同じ方法で動作する。相違点は、図１６及び図１８の実施形態では、シリンダ２１０内で下向きのそれぞれのストロークで往復運動する単一の注入器ピストン２０７が、注入器ヘッド２１５を通って溶融ラグ材料を押圧し、鉛と繊維の複合区域１０１と固体鉛区域を形成し、図１９及び図２０の二重流の実施形態では、ピストン２０７は、注入器ヘッド２１５を通って溶融ラグ材料の（より高い圧力の）パルス片を押圧し、鉛と繊維との複合区域を形成し、弁３０７は、注入器ヘッド２１５を介してより低圧の溶融ラグ材料の連続流を測定して固体鉛区域を形成する。弁３０７は、同じピストンブロック２０８内でチャンバ３１０内を移動し、矢印Ｇ’の方向に開き、より低圧の溶融ラグ材料が加熱されたリザーバ２０９からポート３１１を通り、注入器ヘッド２１５に設けられたチャンバ３１３を通過し、次いで出口オリフィス３１７ｂから繊維材料１００に隣接する空隙に入り固体鉛区域を形成することを可能にすると同時に、ポート２１１を介してピストン２０７を往復させることによって駆動される溶融ラグ材料が出口オリフィス３１７ａから繊維材料の一部に流れ、（図１６及び１８の実施形態におけるオリフィス２１７の代わりに）鉛と繊維との隣接する複合領域を形成する。オリフィス３１７ａを出る溶融材料は繊維材料を含浸させ、オリフィス３１７ｂを出る溶融材料は隣接する空隙を満たし、材料がドラム５００と注入器ヘッドの間の空間を出て、連続したラグと繊維材料の縁部に沿うラグ延在部を形成する際に、溶融材料は急速に冷却する。発明者らは、溶融材料が鉛である場合、鉛が少量のＳｎを含み、その結果溶融材料がＰｂ−Ｓｎ合金を含むので注入器オリフィスの可能な閉塞を低減することが有利であり得ることを示す。低圧及び高圧流は、繊維材料の移動速度と同期して、正確な量の鉛を繊維材料の縁部範囲１０１及び隣接する空隙に同時に供給して、固体ラグ延在部を形成する。この実施形態は、ラグ材料を繊維材料のラグ区域部分に含浸させるように構成された第１の加圧注入器と、ラグ材料を隣接する空隙に送達するように構成された第２の加圧注入器と、を備え、繊維材料のラグ区域部分に隣接して固体ラグ延在部を形成する。
【００７０】
ラグ形成機は、ラグ形成機を通って繊維材料を引き出す繊維材料供給システムを含むことができ、ラグ形成機は、両側の繊維材料上に直前に形成された連続長さ方向ラグの対向面に接触する回転ドラムの出口側を縦方向に通る特にニップローラ２２１のような駆動装置を備える。
【００７１】
繊維材料の縁部に沿ってラグを及びラグの縁部に沿ってまたは間隔をあけて連続的に固体ラグ延在部を形成するように構成されたさらに別の実施形態では、繊維材料の縁部を上記のように含浸させた後、形成された１つまたは複数のラグ延在部は、例えば、超音波溶接または半田付けによってラグに取り付けられてもよい。
【００７２】
上記の実施形態は、繊維材料電極要素への電気的接続を形成することに関連して上述されている。電極要素繊維材料は、例えば、Ｐｂ酸電池の負または正の電極に必要とされるように導電性であってもよく、または例えばいくつかの場合におけるＰｂ酸電池の正極用に非導電性であってもよい。例えば、陽極は、導電性にする炭化を受けていない酸化ＰＡＮ繊維（ＯＰＦ）になるように酸化されたポリアクリロニトリル繊維材料（ＰＡＮ）で形成することができる。本発明はまた、電極要素ではない繊維材料への電気的接続を形成するために、またはより一般的には、導電性ではない第１の材料を繊維材料に含浸させて、繊維材料に電気的接続を形成するのではなく、強化及び／または建築の目的のためのような他の工業目的のために使用することができる。
【００７３】
電池またはセル構築
上述のように繊維材料電極上に形成されたラグは、説明したようにラグと同じ方法で、すなわち繊維材料への加圧含浸によって形成された前述のような横方向／マクロスケール電流コレクタ（例えば、図１の５２参照）をまた、備えることができる。このような横方向／マクロスケールの電流コレクタは、任意の角度のラグ区域から横切るラグ区域に及び電極区域内の任意の位置に延びて、ラグの炭素繊維材料自体を通るマイクロスケール経路に加えて、炭素繊維から金属ラグへの追加のマクロスケール電流収集経路を提供することができる。このような横方向／マクロスケール電流コレクタは、ラグの一部と見なすことができるが、ラグ部分は、１つまたは複数の縁部に沿ってではなく、材料を横切って通過／含浸される。代替的にまたは付加的に、上記のように繊維材料電極上に形成されたラグは、繊維材料の片面または両面に、電極材料及びラグに電気的に導電的に取り付けられた金属線またはテープを含み、ラグの炭素繊維材料自体を通るマイクロスケール経路に加えて、炭素繊維から金属ラグまでのマクロスケール電流収集経路を提供する。金属線またはテープは、例えば、電池電解液に溶解しない糸または樹脂、セメントもしくはポッティングミックスのような電流コレクタを適所に保持する他の不活性Ｐｂ酸電池結合材料を用いて縫合または縫い付けによって繊維材料に取り付けることができる。金属線またはテープは、製造中に繊維材料に押圧されてもよい。あるいは、線またはテープまたは同様のものを、繊維材料に半田付けまたは印刷することができる。金属線または１つまたは複数のテープは、線またはテープがラグ内に埋設されることによって、ラグに導電的に接続された電極の縁部及び電極の別の離間された縁部またはその近傍のラグの間に連続的に延在して、繊維材料の片面または両面に屈曲した形状に配置されてもよい。あるいは、線またはテープは、電極の対向する縁部に沿った金属ラグまたは電極周囲のフレームの間に延在することができる。あるいはまた、別個の長さの線またはテープが、ラグの一縁部から電極の別の縁部にまたは向かって延在してもよく、あるいは、前述の線またはテープのマクロ導体が、繊維材料の１つまたは両側上に取り付けられた金属メッシュを含んでもよい。線またはテープまたはメッシュの端部は、終端してラグに埋め込まれてもよい。電流コレクタが負極として作用する電極の外面上にあるとき、電流コレクタが正極からの陽極酸化から保護されることが重要である。好ましくは、線またはテープは、特定の領域での局所的なホットスポットの発生または熱の蓄積を防止して、電極を横切る均一な電流収集にするために、交差する点なしに電極の幅にわたって等しい間隔で電極の長さを上下に移動する。好ましくは、線またはテープまたはメッシュもしくは類似の横方向／マクロスケール電流収集システムの体積は、電極（ラグまたは周囲の金属フレームまたは同様のものを除く）の体積の約１５％未満である。
【００７４】
通常、電池またはセルの構築中、繊維材料が、好ましい形では、ＰｂならびにＰｂ及びＰｂＯのＰｂＯ粒子、ならびに液体の混合物を含むペーストを用いて含浸される。いくつかの実施形態では、液体は、水、酸またはアルコールである。好ましくは、酸は、希硫酸である。好ましくは、アルコールはエタノールである。代わりに、ペーストは硫酸鉛（ＰｂＳＯ４）粒子及び希釈硫酸を含んでよい。いくつかの実施形態では、電極の中への含浸時のペーストは、０重量％以上と約６重量％の間、または０．２５重量％と約５重量％の間、または０．２５重量％と約４．５重量％の間、または１重量％と４重量％、または１重量％と３．５重量％、または０重量％と２重量％、または０．５重量％と２．５重量％の間の硫酸のペーストを含む希硫酸を含む。Ｐｂベースの粒子は、繊維間の空間の中に容易に収まるほど十分小さい、１０ミクロン以下の平均サイズを有してよい粉砕粒子または化学的に形成された粒子を含んでよい。ペーストまたは活物質は、活物質が、繊維がラグに進入するラグに接触または当接し、どちらかの側の繊維材料の表面においてだけではなく、繊維材料の厚さを通して、及びラグ材料と非ラグ材料含浸繊維材料との間の境界の主要な部分または長さの実質的にすべてに沿って、この境界で、ラグに直接電気的に接続するように、ラグまで炭素繊維電極を充填してよい、またはペーストとラグとの間に、例えば最高約５ｍｍの間隙等の間隙があるようにラグの手前で停止してよい。好ましい実施形態では、ラグは、上述されたように炭素繊維材料の中に含浸された活物質の中への、Ｐｂ突起部等のラグの突起部を有するように形成される。
【００７５】
記述されているように、好ましくは活物質のＰｂ粒子の表面積対体積率は、ラグ区域のラグ材料の表面積対体積率よりも、少なくとも約３倍大きい、または好ましくは約５倍大きい、もしくは好ましくは約１０倍大きい、または好ましくは約２０倍大きい。好ましくは、活物質のＰｂ粒子の表面積対体積率は、約２ｍ2／ｃｍ3より大きい、または１ｍ2／ｃｍ3より大きく、ラグ区域のラグ材料の表面積対体積率は約０．０５ｍ2／ｃｍ3未満である。繊維層の中に注入され、それが進入するにつれて冷却する溶融ラグ材料と関連付けられた表面は、それが回りで冷却する繊維の表面積に類似する、または少ない可能性がある。例えば、炭素フェルトは、フェルト総体積のｃｍ3あたり０．０２ｍ2に同等である表面積の１ｍ2について１ｍｍ厚さあたり約２０ｍ2に等しい繊維の円筒面の面積を有してよい。この繊維網の回りで流れる溶融鉛は、（最初に冷たい繊維の上に凍結することによって）繊維の直径よりも大きい直径の枝がある鉛構造物を形成する、すなわち、この鉛搭載フェルトの枝の直径は、表面積がおそらくｃｍ3あたり０．０１ｍ2で、１０ミクロンから、約１５〜２０ミクロンに増加することがある（より大きな体積分率の含浸の場合、これらの枝は融合し、表面はなおさらに縮小する）。これらの表面積は、鉛酸セルの負極内部の通常の活物質の表面積と比較できる。鉛を含有する活性量は、（充電サイクル及び放電サイクルの間に電気化学変化の影響を受けづらい）電流を運ぶ鉛スケルトン、及び変化の影響を受けやすく、事実上電池の使用電流を生じさせるはるかに細かい質量に分けられる。はるかに細かい「エネルギー活物質」は、約０．３ミクロンの直径の枝を有してよい。スケルトンは、上記の部分的な含浸によって形成される枝に非常に類似し、電気化学破壊作用は無視できるほどである。しかし、細かな電気化学的に活性の物質の表面積は、鉛の単位体積当たりの表面積の（２０）／０．３）＝７０倍を有してよく、したがってほぼすべての化学的な破壊作用を被る。細かい材料と粗いスケルトン材料との間の分割は、大部分の負極で約５０／５０％である。
【００７６】
全般
電池、典型的には鉛酸電池では、正極または電極、負極または電極、またはその両方は、本発明の１つまたは複数の方法に従ってラグを形成することができる。好ましくは、電流コレクタ材料及びその繊維は可撓性であり、電池サイクル中に電流コレクタ材料に付着した活物質の体積変化を適応させるのを助け、マイクロスケール繊維は活物質を補強してもよく、使用中の電極からの活物質の離脱（「シェディング（ｓｈｅｄｄｉｎｇ）」）をもたらす。
【００７７】
好ましい実施形態では、電極繊維は、導電性を高めるために金属のようなより導電性の材料で被覆する必要のない本質的に導電性であってもよく、いくつかの実施形態では導電性を高めるように処理され得る炭素繊維であってもよい。他の実施形態では、電極繊維は導電性の低い材料であってもよく、その繊維は導電性またはより導電性の被膜で被覆されている。いくつかの実施形態では、電流コレクタ材料の繊維は、ＰｂまたはＰｂベースの材料で被覆されてもよい。例えば、負極または電極をＰｂで被覆し、正電極をＰｂで被覆し、次いでその上にＰｂＯ2を被覆することができる。
【００７８】
電流コレクタ材料は、織物材料、編物材料、または不織布材料、例えばフェルトまたは流体絡み合い材料であってもよい。材料は、繊条を機械的に接続するために、繊条を横断して延びる任意選択的に接続された糸とともに、複数の繊維からなるそれぞれの繊条を有する材料の主平面内に延びる繊条を含むことができる。材料の平均深さは、少なくとも０．２ミリメートルまたは少なくとも１ミリメートルであり得る。繊維の少なくとも大部分は、約２０ミクロン未満、または約１０ミクロン未満の平均繊維直径を有する。
【００７９】
いくつかの実施形態では、繊維材料は、例えば１０００から４０００℃の範囲の昇温で熱処理された炭素繊維材料であってよい。いくつかの実施形態では繊維材料は電気アーク放電によって処理された炭素繊維材料であってよい。炭素繊維材料は、材料の片側での複数の隣接する電極を含む電極間の間隙での電気アークを通して、または電気アークが電極のそれぞれと材料との間に存在するように複数の隣接する電極を過ぎて、反応チャンバ内部で炭素繊維材料を移動することによって電気アーク処理されてよい。
【００８０】
いくつかの実施形態では、繊維材料は、導電性でないＯＰＦを提供するために２５０〜６００℃の温度で酸化されたＰＡＮ繊維のような炭素繊維材料であってもよい。このような繊維材料は、電極要素として使用することができる。
【００８１】
いくつかの実施形態では、繊維材料は、より厚い材料を平面で分割することによって、例えば２．５ｍｍ以下のような非常に薄い厚さに製造されたフェルトまたは他の不織平坦電極材料であってもよい。すなわち、材料をその面内で１回以上切断して、より厚い不織材料を同様の長さ及び幅の複数のシートに分割するが、開始シートまで厚さを薄くすることができる。
【００８２】
実験
実施例１及び２：
鋼鉄製バンドに支持されたカーボンフェルトの層は、それに穿孔された１つ以上の垂直穴を有する固定鋼鉄製ヘッドの下に供給された。図３〜図５に示すように、溶融した鉛はこれらの穴の上に保持され、その下を通過する際にフェルトに通過することができた。３Ｌの鉛を、円筒容器内で加熱し、鉛の温度を鉛溶融温度よりも高い所望の温度の１℃の範囲内で保持することができた。弁は、鉛のプールと穴との間に位置し、鉛の短いパルスが通過するように開閉することができた（１つの穴の場合の図４参照）。この弁の頭部は、流れを閉鎖するためにマッチングシートに接触し、鉛プールを通過したステムの軸方向移動によって装置の上部から昇降することができた。ステムは、その長さに沿って３つのベアリングによって弁の中心に保持され、その上部で、機構の回転ごとに弁が一度短く開くことを可能にする反転機構に取り付けられた。機構の周波数は調整することができ、開口部の長さも調整することができる。機構は約５０Ｈｚのプッシュプルサイクルの最大周波数を有する機械によって動力供給された。ステムの頂部は圧縮ばねによって下方に保持されていたが、弁の両端を反対方向にねじ止めされた単一のスペーサによって調節可能な位置で、機械の動きの頂部に向けて弁を開くように持ち上げられた。
【００８３】
実施例１：直径０．５ｍｍの単純な単一オリフィスを使用し、炭素の体積分率４．２％（単位面積当たりの炭素質量１８０ｇ／ｍ２）のアーク処理フェルトの厚さ２．５ｍｍの層に注入した。反転機構、この場合はジグソー、を５０Ｈｚで動作させ、毎秒５０回の短パルスの鉛がフェルトに浸透した。フェルトは４０ｍｍ／ｓの速度で前進され、ヘッドを通過する際にヘッドによって圧縮された。注入によって形成された鉛複合体の厚さは１．３ｍｍであった。図９Ａ及び９Ｂは、Ｐｂラグストリップが形成された炭素繊維フェルトの一部の上面及び下面の画像である。それらはフェルトを横切る鉛の浸入の経路を示し、最初はオリフィスの側から見た（ａ）、下側から見た第２の（ｂ）である。フェルトは、その上のフェルトに鉛が注入される前に室温であった鋼鉄製ベルト上に保持された。したがって、ベルトがフェルトを下側から冷却した。図から、連続したパルスとともに鉛が経路の目に見える範囲全体にわたってフェルトに浸透していることが分かる。
【００８４】
実施例２：この例は、複数の注入ポートの使用を示す。直径０．５ｍｍのヘッドのそれぞれに３つの穴が作られ、それぞれの穴からの鉛パルス流が可能になった。フェルトの送り速度は４０ｍｍ／ｓであり、パルスの繰り返し率は５０Ｈｚであった。これらの条件下では、すべての穴からの注入もまた、それらの隣の注入とよく合って、使用条件下で厚さ１．３ｍｍで約２０ｍｍの幅でより広い注入を行った。小さな通路を切り取って寸法と質量を測定することで、炭素の体積（ｍ当たりの既知の体積から推定）と鉛の体積（鉛の質量と鉛の密度）の療法を減算することによって、空隙率を計算することができた。図１０Ａ及び１０Ｂは、Ｐｂラグストリップの一部の下側及び上側の画像である。この試料の空隙率は１２±２％であった。図１０Ｂの上面画像では、浅い輪郭は１ｍｍ間隔よりもわずかに短く離間され、連続注入がどこに集まっているかを示している（予想間隔４０／５０＝０．８ｍｍ）。サンプルの上部にはカーボンがない。薄い炭素のカバーは、浸透後にトラックの頂部に残るが、例えば、軽く引っ掻くことによって、容易に除去される。フェルト内の炭素の緩い小片は、浸透中に上に上がり、これはサンプルが処理される前に観察されるものであると思われる。図１１は、炭素繊維フェルト上に形成されたＰｂラグストリップの一部の下面のＳＥＭ画像であり、Ｐｂが炭素繊維材料を完全に含浸していることが分かる。
【００８５】
パルス流の駆動力は、当初、オリフィスの鉛の静的ヘッドから部分的に提供されると考えられていた。上記の実施例では、鉛のプールの上に圧力が加えられなかったので、この静的ヘッドは３００ｍｍの鉛の高さ、すなわち３３ｋＰａであった。しかしながら、弁をパルス作動させることなく弁を開いたままにした場合、フェルトへの鉛の浸透はごくわずかであった。また、弁の開放期間がフルサイクルの約１０％を超えて増加したときに、フェルトへの余分な流れが観察されなかった。したがって、これらの静的ヘッド状態の下で、有意な有効な浸透圧は、弁ヘッドのポンピング作用からであるように見えた。次に、弁動作中の流体流の分析を行った。この分析から、閉鎖に向かうヘッドの下方への移動は、オリフィス上の圧力を増加させた。弁の閉鎖環状シーリング部分（図６参照）を通る後方漏れを考慮し注入オリフィス及び環状シーリング領域、（１つの運動ヘッドの）の両方にわたる乱圧力降下を使用すると、圧力分布と閉鎖部分の間の注入速度を推定することができる。このモデルは、それぞれのパルスの終わりに向かって数十バールの圧力が発生したことを示す。この生成された圧力は、注入器オリフィス及び急速に充填されたフェルトの両方にわたって低下する。大気への全圧力降下のかなりの部分が部分的に充填されたフェルトを横切っており、この高圧はフェルトを適切に充填し、残存空隙率を小さくするのに有効であることが予想される。
【００８６】
図１２Ａは、炭素繊維フェルト上に形成されたＰｂラグストリップ（単独）を切断したＳＥＭ画像であり、図１２Ｂは、図１２Ａよりも高倍率のＳＥＭ画像であり、そこから、Ｐｂが個々の繊維の周り及び間に含浸さしていることが分かる。これは、低い空隙率を示す。
【００８７】
上記は、その好ましい形態を含む本発明を説明し、当業者に明らかであるような変更及び修正は、添付の特許請求の範囲に規定されるその範囲に組み込まれることが意図される。
【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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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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