(57)【要約】バイポーラ電池用のバイポーラ電池プレートが開示されている。バイポーラ電池プレートは、フレーム、フレーム内に配置された基材、基材の片側に配置された第１鉛層、基材の別の側に配置された第２鉛層、第１鉛層の表面に配置された正極活物質（ＰＡＭ）、第２鉛層の表面に配置された負極活物質（ＮＡＭ）を含む。基材は、複数の穿孔と、その対向する側面に一体的に形成された複数のスタンドオフとを有する。第１及び第２鉛層は、複数の穿孔を介して互いに電気的に接続されている。
2020510968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、
前記フレーム内に配置され、
複数の穿孔と、
両側面に一体的に形成されている複数のスタンドオフと、を有する基材と、
前記基材の片側に配置された第１鉛層と、
前記基材の別の側に配置された第２鉛層であって、前記第１鉛層と前記複数の穿孔を通して互いに電気的に接続される第２鉛層と、
前記第１鉛層の表面に配置された正極活物質（ＰＡＭ）と、
前記第２鉛層の表面に配置された負極活物質（ＮＡＭ）と、
を備える、バイポーラ電池用のバイポーラ電池プレート。
【請求項２】
前記第１鉛層及び前記第２鉛層は、前記第１鉛層及び前記第２鉛層が前記基材の各側に位置するときに前記スタンドオフに整列する前記複数のスタンドオフに対応する穴を有する、請求項１に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項３】
前記フレームが成形可能な絶縁性ポリマーである、請求項１に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項４】
前記フレームは、前記バイポーラ電池を構造的に支持する前記バイポーラ電池の外壁である、請求項１に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項５】
前記基材が、前記フレームと前記同じ材料から一体構造で調製される、請求項１に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項６】
前記基材が、前記絶縁性プラスチック全体に均一に分散された伝導性粒子を有する非伝導性絶縁性プラスチックである、請求項１に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項７】
前記基材が伝導性表面を備え、前記基材の前記表面が化学的又は摩耗によって粗面化され、前記導体粒子が前記絶縁性プラスチックの外側に露出する、請求項６に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項８】
前記穿孔は、前記基材に沿って配置され、前記基材を通って延びる、請求項１に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項９】
前記鉛層が、前記穿孔を通して伝導性を有する鉛箔である、請求項８に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項１０】
前記鉛箔が、前記穿孔を介して互いに機械的及び電気的に接続されている、請求項９に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項１１】
前記鉛箔が抵抗溶接により互いに溶接されている、請求項１０に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項１２】
第１及び第２鉛層は、前記基材の前面及び後面に沿って配置される鉛ペーストである、請求項１に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項１３】
第１鉛層が、前記基材の前記前面全体にわたって、前記穿孔の少なくとも１つ内に広がることにより反対側の前記第２鉛層に接続する、請求項１２に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項１４】
前記正極活物質は、前記第１鉛層に塗布されたペーストであり、前記負極活物質は、前記第２鉛層に塗布されたペーストである、請求項１に記載のバイポーラ電池プレート。
【請求項１５】
互いに隣接して配置された複数のプレートを備え、各プレートは、
フレームと、
前記フレーム内に配置され、
複数の穿孔と、
両側面に一体的に形成されている複数のスタンドオフと、を有する基材と、
前記基材の片側に配置された第１鉛層と、
前記基材の別の側に配置された第２鉛層であって、前記第１鉛層と前記複数の穿孔を通してそれぞれに電気的に接続される第２鉛層と、
前記第１鉛層の表面に配置された正極活物質（ＰＡＭ）と、
前記第２鉛層の表面に配置された負極活物質（ＮＡＭ）と、
前記積層された複数のバイポーラプレートの逆末端に配置された一対の端子部と、
前記複数のバイポーラプレートの各々と前記一対の端子部との間に配置された電解質と、
を備える、バイポーラ電池。
【請求項１６】
前記第１鉛層及び前記第２鉛層は、前記第１及び前記第２鉛層が前記基材の各側に位置するときに、前記スタンドオフと整列する前記複数のスタンドオフに対応する穴を有する、請求項１５に記載のバイポーラ電池。
【請求項１７】
前記複数のプレート上の前記フレームが互いに取り付けられている、請求項１５に記載のバイポーラ電池。
【請求項１８】
１つのプレートの前記複数のスタンドオフが、別のプレートの前記複数のスタンドオフに取り付けられている、請求項１５に記載のバイポーラ電池。
【請求項１９】
１つのプレートの前記スタンドオフが、超音波溶接、化学溶接、溶剤溶接、スピン溶接、又はホットプレート溶接によって別のプレートの前記スタンドオフに取り付けられている、請求項１８に記載のバイポーラ電池。
【請求項２０】
１つのプレートの前記スタンドオフが、フック及びラッチ、又はボール及びソケット接続によって別のプレートの前記スタンドオフに取り付けられている、請求項１８に記載のバイポーラ電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１７年３月３日に提出の出願番号第１５／４４９，２３８号明細書の米国一部継続出願の優先権を主張し、この一部継続出願は２０１１年９月９日に提出の米国出願番号１３／２２９，２５１号明細書の優先権を主張し、現在は米国特許９，６３４，３１９号として特許付与されている。
【０００２】
本発明は、電池に関し、特に、一連のバイポーラ電池プレートを有するバイポーラ電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来のバイポーラ電池は、概して、正極活物質が一方の表面を形成し、負極活物質が反対側の表面を形成する金属伝導性基材を有する電極を含む。活物質は、電解質イオンに対して非伝導性の金属伝導性基材上に様々な手段で保持される。電極は、隣接する電極間の界面を提供する電解質及びセパレータプレートを備えたマルチセル電池を提供するために、平行に積層された関係で配置される。積層の両端で使用される従来の単極電極は、出力端子と電気的に接続されている。これまでに開発されたほとんどのバイポーラ電池は、金属基材を使用している。具体的には、バイポーラ鉛蓄電池システムは、この目的のために鉛と鉛の合金を利用している。アンチモンなどの鉛合金を使用すると、基材に強度が与えられるが、腐食とガス発生が増加する。
【０００４】
バイポーラ電池用のほとんどの既知のプレートでは、通常ペーストの形態の正極活物質が一方の側の金属伝導性基材に塗布され、一方、負極活物質が反対側に同様に塗布される。プレートは、プレートを介して移動できないようにプレート間の電解質を密封するフレームに備えられていてもよい。
【０００５】
米国特許第４，２７５，１３０号では、複数の伝導性バイポーラプレート２１を有するバイポーラ電池構造２０が開示されている。各バイポーラプレート２１は、電解質イオンに対して非伝導性である連続相樹脂材料を含む複合基材シート３４を含むことができる。複合基材シート３４は、材料に埋め込まれた、均一に分布しランダムに分散した伝導性繊維３３も含む。バインダー樹脂は合成有機樹脂であり、熱硬化性や熱可塑性でもよい。複合基材シート３４は、埋め込まれたグラファイト繊維３３の一部の露出を表面に含む十分に平坦な対向する側面３５を有する。埋め込まれたグラファイト繊維は、基材シート３４を通る導電性を提供するだけでなく、熱可塑性材料に高度の剛性、堅さ、強度、及び安定性を与える。基材シート３４は、粒子形態の熱可塑性材料をグラファイト繊維と完全に混合することによるなど、任意の適切な方法で作製されてもよい。混合物を金型内で加熱した後、選択したサイズと厚さの基材シートに圧力成形する。シートが硬化された後、十分に平坦な側面３５は、側面のピンホール又は他の不規則性を除去するために、例えばバフ研磨によって、直ちに取り扱われ、又は処理されてもよい。
【０００６】
開示されているように、既知のメッキプロセスにより、鉛縞が複合基材シート３４に接合される。正極の側面３５では、鉛縞３８間の面領域は、隣接するグラファイト繊維と基材３４のポリエチレンのアノード腐食から保護する、テフロン（ポリテトロフルオロエチレン）などのフルオロカーボン樹脂が適した耐食樹脂３６のコーティングで覆われている。負極の側面３５では、鉛縞３７間の面領域は、ポリエチレンコーティング３６ａなどの電解質に対して不浸透性の樹脂の薄いコーティングによって保護され得る。バイポーラプレート２１の製造において、複合基材シート３４が形成された後、薄いテフロンシートが正極の側面３５に接合されてもよい。接合の前に、鉛縞に長さと幅が対応する窓のような開口部が切り取られる。その後のメッキは、鉛縞３８を基材側面３５上の露出した伝導性グラファイト表面に接合する。負極の側面３５で同じ製造プロセスを利用して、縞模様のない領域をポリエチレン又は他の同様の材料でコーティングしてもよい。負極の縞のメッキは、正極の縞と同様に実現されてもよい。
【０００７】
セパレータプレート２３は、正極活物質２４及び負極活物質２５を支持する働きをし、適切な合成有機樹脂、好ましくは微孔性ポリエチレンなどの熱可塑性材料で作られてもよい。
【０００８】
電池構造２０は、複数の伝導性バイポーラプレート２１を備え、その周辺境界又はマージンは、周辺絶縁ケーシング部材２２内で支持及び担持される。バイポーラプレート２１の間に複数のセパレータプレート２３が挟み込まれて配置されている。セパレータプレートは、その片側に正極活物質２４を、反対側に負極活物質２５を担持している。ケーシング部材２２は、バイポーラプレート２１及びセパレータプレート２３とともに、電解質液を収容するためのチャンバ２６を提供する。電池構造２０の各端で、標準的なバイポーラプレート２１は集電板とインターフェースし、２７は負極集電板であり、２８は正極集電板である。端コレクタ２７及び２８の外側には、圧力部材プレートを共に引き寄せ、バイポーラプレート及びセパレータプレートの積層配置に軸方向圧縮を加えるためのねじ部を有するロッド３１によって相互接続された圧力部材３０が設けられる。
【０００９】
バイポーラプレート２１は、軽量で剛性であるが、鉛縞端と保護コーティングとの間に接合線を備え、基材の腐食及び構造的劣化に耐える。さらに、鉛縞３７、３８をグラファイト繊維を有する伝導性基材に接合するために、メッキプロセスが必要である。導電率は、基材内のグラファイト繊維のサイズと量の種類によって制限される。加えて、複数のバイポーラプレート２１及び層が別個のケーシング部材２２及び外部フレームに収まることが必要であり、それらはすべて、より多くの部品のためのさらなる処理ステップを必要とする。バイポーラ電池構造２０は、複雑な外部フレームによってともに固定される複数のチャンバ２６及び本体４３に組み立てられた材料及び基材の多くの層を有する複雑な設計である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、とりわけ、単純化されたバイポーラプレート設計を有するバイポーラ電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
活物質は、活物質間の伝導性を改善するための穿孔を備えた成形可能な基材を有する絶縁フレーム内に入れられ、バイポーラ電池は安価に製造でき、バイポーラプレートを支持するための複雑な外部フレームを必要としない。
各バイポーラ電池プレートは、フレーム、フレーム内に配置された基材、基材の片側に配置された第１鉛層、基材のもう一方の側に配置された第２鉛層、第１鉛層の表面上に配置された正極活物質（ＰＡＭ）、及び第２鉛層の表面上に配置された負極活物質（ＮＡＭ）を有する。基材は、その対向する側面に一体的に形成された複数の穿孔及び複数のスタンドオフを有する。第１及び第２鉛層は、複数の穿孔を介して互いに電気的に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明は、本発明の例示的な実施形態を示す図面に示される図を参照して、以下により詳細に説明される。
【図１】本発明によるバイポーラプレートの正面図である。
【図２】図１の線２−２に沿ったバイポーラプレートの断面図である。
【図３】本発明によるバイポーラ電池の斜視図である。
【図４】図３のバイポーラ電池の分解斜視図である。
【図５】ケーシングを有する本発明によるバイポーラ電池の部分断面図である。
【図６】ケーシングのない本発明によるバイポーラ電池の別の部分断面図である。
【図７】本発明によるバイポーラプレートの拡大図であり、バイポーラプレートの基材の穿孔を示している。
【図８】本発明によるバイポーラプレートの別の拡大図であり、バイポーラプレートの非伝導性フレームを示している。
【図９】本発明によるバイポーラプレートの別の拡大図であり、バイポーラプレートの別の非伝導性フレームを示している。
【図１０】本発明の追加の実施形態によるバイポーラプレートの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、図面を参照して以下により詳細に説明され、同様の参照番号は同様の要素を指す。しかし、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、説明が徹底的かつ完全であり、本発明の概念を当業者に完全に伝えるように提供されている。
【００１４】
図１〜図１０に関して、本発明によるバイポーラ電池１００は、複数のバイポーラプレート１０、電解質２０を保持するスペーサ２２、及び端子部３０を備える。これらの構成要素の各々は、本発明によるバイポーラ電池１００を完成するためにともに積層され、これは、複雑な外部支持構造を欠く最小数の部品を備えた適応可能な設計である。
【００１５】
ここで、図１及び図２を参照し、本発明によるバイポーラプレート１０について説明する。バイポーラプレート１０は、フレーム１１、基材１２、基材１２の前面及び後面に沿って延びる複数の穿孔１３、鉛箔１４、第１活物質１６、及び第２活物質１８を含む。
【００１６】
一般に、基材１２、鉛箔１４、第１活物質１６、及び第２活物質はフレーム１１内に入れられ、バイポーラプレート１０を支持及び保護する。基材１２は、フレーム１１の中心に配置され、鉛箔１４は、基材の両側に配置され、次いで、活物質１６、１８は、鉛箔１４上に配置される。フレーム１１は非伝導性である。示された実施形態では、フレーム１１は、ポリプロピレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、コポリマー、又はポリマーブレンドなどの成形可能な絶縁性ポリマーである。フレーム１１は成形可能であるため、形状及びサイズの構成の数は豊富であり、これは、異なる用途に合わせて調整することができる本発明によるバイポーラプレート１０を提供する。
【００１７】
示された実施形態では、フレーム１１は、概して長方形の形状を有し、フレーム１１内に配置されたときに基材１２を支持する。フレーム１１は、バイポーラ電池１０と同様に、バイポーラプレート１０のケーシングである。フレーム１１の外面は、バイポーラプレート１０及びバイポーラ電池１００の外面である。フレーム１１の表面は、概して平坦であり、特に、フレーム１１の外面に沿っている。フレーム１１は、スペーサ２２及び端子部３０と組み立てられたとき、特にバイポーラプレート１０が平坦な対向面に対して直立しているとき、バイポーラプレート１０と同様にそれ自体を支持する。
【００１８】
フレーム１１は、図２に示すように、基材収容通路１１ａと材料収容通路１１ｂとをさらに備える。基材収容通路１１ａは溝又はチャネルであり、一方、材料収容通路１１ｂは、バイポーラプレート１０の積層可能な両側の鉛箔１４及び活物質１６、１８を収容するフレーム１１の開口部である。
【００１９】
基材収容通路１１ａは、基材１２がフレーム１１内に配置されたときに、基材１２を収容して固定するために使用される溝である。ノッチ、くぼみ、凹部、又はフレーム１１内に基材１２を固定する任意の固定機構を備える、基材収容通路１１ａの他の構成が可能である。例えば、基材１２は、溶接を使用して、又は接着剤によって、あるいは締結具によってフレーム１１に固定することができる。しかしながら、示された実施形態では、基材１２は、バイポーラプレート１０の製造中に基材収容通路１１ａに固定される。
【００２０】
各材料収容通路１１ｂは、基材１２が基材収容通路１１ａ内に配置されたときに、基材１２によって互いに分割されフレーム１１のほぼ中央に配置される。さらに、鉛箔１４及び活物質１６、１８は、フレーム１１の外面に入れられている。これらの一対の空隙は、フレーム１１内に鉛箔１４と活物質１６、１８をしっかりと受け入れるような寸法になっている。
【００２１】
示された実施形態では、基材１２は、フレーム１１に対して絶縁材料の別個の部品であり、基材１２は、フレーム１１の基材収容通路１１ａ内に受け入れられ固定される。しかしながら、フレーム１１と基材１２は、概して同じ材料からモノリシック構造としてともに形成することができる。製造中、フレーム１１と基材１２は同じ材料から一体として構成される。これは、射出成形などのプロセス又はその他の既知の方法で実行できる。
【００２２】
示された実施形態における基材１２は、概して非伝導性の絶縁性プラスチック、すなわち、示された実施形態におけるポリプロピレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、コポリマー、又はポリマーブレンドである。上記で簡単に説明したように、フレーム１１と基材１２が一体構造から調製されるかどうかに関係なく、基材１２はフレーム１１と同じ材料から調製することができる。
【００２３】
別の実施形態では、図７に示すように、基材１１２は概して非伝導性であり、絶縁性プラスチックから調製される。ただし、伝導性繊維と材料は、絶縁性プラスチック全体に均一に分散される。例えば、基材１１２は、高導電性領域を備える商品名エレクトリプラストでインテグラルテクノロジーズ社によって販売されている非腐食性プラスチックから調製されてもよい。図７に示されるように、基材１１２は、導体粒子のミクロン粉末を有する非伝導性樹脂ベースの材料又は熱可塑性物質１１２ａ、及び／又は樹脂又は熱可塑性物質１１２ａ内で十分に均質化されたミクロン繊維１１２ｂの組み合わせを備える。図７に明確に示されるように、導体粒子又は繊維１１２ｂは、樹脂又は熱可塑性物質１１２ａの本体全体にわたって均質化されている。この例では、粉末中の導体粒子又は繊維１１２ｂの導体粒子の直径Ｄは、約３〜１２ミクロンである。導体粒子又は繊維１１２ｂの導体繊維は、約３〜１２ミクロン、典型的には１０ミクロン又は約８〜１２ミクロンの範囲の直径、及び約２〜１４ミリメートルの長さを有する。導体粒子又は繊維１１２ｂのミクロン伝導性繊維は、金属繊維又は金属メッキ繊維であり得る。さらに、金属メッキ繊維は、金属繊維上に金属をメッキすることにより、又は非金属繊維上に金属をメッキすることにより形成されてもよい。例示的な金属繊維には、ステンレス鋼繊維、銅繊維、ニッケル繊維、銀繊維、アルミニウム繊維又は同種のもの、又はそれらの組み合わせが備えられるが、これらに限定されない。例示的な金属メッキ材料には、銅、ニッケル、コバルト、銀、金、パラジウム、白金、ルテニウム、及びロジウム、ならびにそれらの合金が含まれるが、これらに限定されない。非金属繊維のコアとして、メッキ可能な繊維を使用してもよい。例示的な非金属繊維には、カーボン、グラファイト、ポリエステル、玄武岩、人工材料及び天然材料などが含まれるが、これらに限定されない。加えて、チタン、ニッケル、ニオブ、及びジルコニウムなどの超伝導体金属、及びチタン、ニッケル、ニオブ、及びジルコニウムの合金も、ミクロン導電性繊維及び／又は繊維への金属メッキとして使用してもよい。
【００２４】
導体粒子及び／又は繊維１１２ｂは、樹脂又は熱可塑性物質１１２ａ内で十分に均質化されている。基材１１２は、基材１１２上の伝導性表面の制御された領域を備え、伝導性粒子又は繊維１１２ｂからの伝導性材料は、均質化プロセスによって導電的に接続された樹脂又は熱可塑性物質１１２ａを通して露出される。基材１１２の伝導性表面は、エッチング又は研磨ブラストなどのさらなる製造技術によって制御され、表面は、化学的又は高圧下で表面に対して研磨材料の流れを推進することにより粗面化される。次に、導体粒子及び／又は繊維１１２ｂが露出され、基材１１２の伝導性領域が提供される。このプロセスは、導電性のサイズ及び面積を備える、制御された量の導電性を有する基材１１２を提供する。
【００２５】
基材１１２が、成形プロセス中に絶縁性樹脂又は熱可塑性物質１１２ａ内で十分にともに均質化される伝導性粒子、粉末、及び／又は繊維１１２ｂの両方の組み合わせを備えることも可能である。均質化された材料は、基材１１２として多角形に成形され、本発明によるバイポーラプレート１０に必要な様々なカスタム設計又は特性に適合する。次に、基材１１２は、単一の製造技術でフレーム１１とともに成形されてもよい。これにより、バイポーラプレート１０及びバイポーラ電池１００を簡素化することができ、最小限の部品が使用され、生産ステップが排除される。さらに、基材１１２及び電池１００の特性は、基材１１２の表面に沿って伝導性領域を提供及び制御することにより焦点を合わせることができる。フレーム１１は絶縁性であり、基材１２、１１２は基材収容通路１１ａに配置されているため、バイポーラプレート１０は、組み立てられたときにバイポーラ電池１００のフレームとして機能することができる。
【００２６】
製造中、基材１２は、基材収容通路１１ａにインサート成形されるか、フレーム１１が基材１２上にオーバーモールドされる。しかしながら、フレーム１１と基材１２が一緒に成形可能である場合、すなわち２つの部品を一緒に挿入するか、オーバーモールドするか、１つのモノリシック部品を射出成形することにより、バイポーラプレート１０の製造ステップを部品を少なくして単純化することができる。さらに、このプロセスは、本発明によるバイポーラプレート１０及びバイポーラ電池１００のサイズ及び形状をカスタマイズする能力を可能にする。
【００２７】
ここで図１及び図２に戻って参照すると、図４〜図８に示される基材１２及び基材１１２は、基材１２、１１２の表面に沿って、反対側の表面を通って延びる本体を通る穿孔１３を備える。示された実施形態では、穿孔１３は円形であるが、それ以外は任意の形状であり得る。穿孔１３は、対称的な格子パターンで配置されている。穿孔１３は、示された基材１２、１１２の４つの象限に配置される。対称格子配列で配置された多数の穿孔１３を有することにより、鉛箔１４が基材１２、１１２の反対側に配置されたときに、基材１２、１１２を通る均一な伝導が提供される。
【００２８】
さらに、基材１１２は、図５〜図９に明確に示されるように、表面に沿って基材１１２の本体を通る伝導性粒子、粉末、及び／又は繊維１１２ｂを含む。一般に、基材１１２の表面領域は絶縁性であり、一方、他の領域は伝導性粒子、粉末、及び／又は繊維１１２ｂから生じる伝導性である。上述のように、伝導性領域の量は、基材１１２の製造を通じて制御することができる。例えば、基材１２の露出表面側全体に関してサイズ及び形状がカスタムであり得る伝導性領域を露出するために基材の表面を粗面化させることができ、又は伝導性粒子、粉末及び／又は繊維１１２ｂの量は、絶縁性樹脂又は熱可塑性物質１１２ａの量に関して制御することができる。図５〜図９に示された実施形態では、基材１１２の外面全体が、伝導性粒子、粉末、及び／又は繊維１２ｂを露出するために粗面化されている。したがって、基材は、基材の露出面側で伝導性であり、鉛箔１４は、導体粒子、粉末、及び／又は繊維１１２ｂ上に配置される。
【００２９】
ここで、図１、図２、図７、及び図８を参照し、基材１２、１１２の反対側の材料収容通路１１ｂ内に配置された鉛箔１４について説明する。鉛箔１４は伝導性であり、穿孔１３を介して互いに接続している。より具体的には、示された実施形態では、鉛箔１４は互いに機械的及び電気的に接続されている。基材１２、１１２は概して絶縁性であるか、絶縁性樹脂又は熱可塑性物質１１２ａ中の導体粒子及び／又は繊維１１２ｂに基づいた限られた面積又は導電率のみを含む。その結果、特に絶縁材料からのみ調製された基材１２を有するバイポーラプレート１０の場合、穿孔１３を使用して、バイポーラプレート１０の鉛箔１４を互いに接続する。鉛箔１４は、図２に示されるように、抵抗溶接又は当技術分野で知られている他のプロセスによって一緒に溶接される。一方、図７に示すように、樹脂又は熱可塑性物質１１２ａで均質化された導体粒子又は繊維１１２ｂを含む基材１１２を備えたバイポーラプレート１０は、穿孔１１３も備えることができ、本発明によるバイポーラプレート１０の鉛箔１４と活物質１６、１８との間の導電率のさらなる制御と効率化を可能にする。
【００３０】
いずれの場合でも、穿孔１３は、サイズ、形状、又は格子パターンを変えることができるが、鉛箔１４を穿孔１３内に貫通させて配置し、隣接する鉛箔１４に接続できるほど充分に大きい。穿孔１３は、製造中に基材１２に成形又はフライス加工することができる。図１、図２、及び図８を参照すると、鉛箔１４が示されており、それぞれ基材１２、１１２の両方の露出面に配置され、フレーム１１の材料収容通路１１ｂ内に適合する寸法である。鉛箔１４は、フレーム１１が基材１２、１１２の両側に配置された各鉛箔１４を入れるように、材料収容通路１１ｂにしっかりと適合する寸法になっている。鉛箔１４は、図７に示すように、穿孔１３を介して機械的及び電気的に接続されている。
【００３１】
図９に示されるように、鉛箔１４は、製造及び組立中に、基材１２、１１２とともに基材収容通路１１ａに挿入されてもよい。鉛箔１４は、インサート成形、オーバーモールド、又は鉛箔１４及び基材１２、１１２が基材収容通路１１ａ内で製造される同様の製造技術中にフレーム内に入れられてもよい。鉛箔１４は、基材１２、１１２の対向する表面に配置され、その後、フレーム１１内に挿入又は製造される。既知のメッキ、蒸着、又はコールドフレームスプレー法により鉛箔１４を塗布することが可能である。
【００３２】
また、鉛箔１４は、基材１２、１１２の前面及び後面に沿って配置された鉛を有するペーストであることも可能である。ペーストは、基材１２、１１２の反対側の表面（すなわち、前面及び後面）にわたって、穿孔１３内に広がる。ペーストは、穿孔１３を介して基材１２、１１２の両側を接続する。ペーストは、各側のペースト間に接続性を提供するのに充分な厚さであるが、活物質１６、１８も材料収容通路１１ｂ内に配置されることを考慮すると、材料収容通路１１ｂより厚くてはならない。
【００３３】
図２及び図５〜図９を参照すると、活物質１６、１８が示され、基材１２、１１２とは反対側を向く鉛箔１４の露出面に配置されている。活物質１６の第１層は、一方の鉛箔１４上に塗布される正極活物質ペースト（ＰＡＭ）であり、一方、負極活物質（ＮＡＭ）は、第２活物質１８である他方の鉛箔１４上に塗布される。示された実施形態では、正極活物質ペースト（ＰＡＭ）及び負極活物質（ＮＡＭ）は、鉛又は、硫酸、水、繊維、及び炭素と混合された酸化鉛のペーストである。
【００３４】
活物質１６、１８（すなわち、ＮＡＭ及びＰＡＭ）の厚さは、フレーム１１の材料収容通路１１ｂの外側に広がるべきではない。むしろ、基材１２、１１２、鉛箔１４、及び活物質１６、１８の全体の厚さＴmは、フレーム１１の厚さＴfよりも小さい。
【００３５】
フレーム１１は、基材１２、１１２、鉛箔１４、及び活物質１６、１８を入れる。結果として、バイポーラ電池１００がバイポーラプレート１０の積層に組み立てられると、フレーム１１は、バイポーラ電池１００の支持体及び外面として機能する。組み立て手順と部品の数を最小限に抑えることができる。さらに、バイポーラ電池１００及びバイポーラプレート１０は、フレーム１１及び基材１２を様々な形状及びサイズに成形することができるため、様々な用途に容易にカスタマイズすることができる。
【００３６】
ここで図３及び図４を参照すると、本発明によるバイポーラプレート１０と積層して密封し、バイポーラ電池１００用の電解質２０を保持するために使用されるスペーサ２２が示されている。
【００３７】
スペーサ２２は、積層する隣接するバイポーラプレート１０の間に示されている。スペーサ２２は、本質的に、フレーム１１と同様の寸法を有するケーシングであり、図３〜図６に示されるように、電解質収容空間２２ａを備える。電解質収容空間２２ａは、電解質収容空間２２ａを貫通する穴であり、スペーサ２２のほぼ中央に位置し、電解質２０を保持する。スペーサ２２は、２つの隣接するバイポーラプレート１０の間に密封されると、電解質２０の漏れを防ぎ、電解質２０がバイポーラプレート１０間に導電性を提供することを可能にする。
【００３８】
図５及び図６に示されるように、少なくとも１つの電解質収容チャネル２２ｂがスペーサ２２に設けられ、スペーサ２２の外面に配置され、電解質収容空間２２ａに向けられる。スペーサ２２が組み立てられ、隣接するバイポーラプレート１０で密封された後、ユーザーは、電解質収容チャネル２２ｂを通して電解質収容空間２２ａに電解質２０を提供することができる。一般に、電解質収容チャネル２２ｂは、スペーサ２２を通って電解質収容空間２２ａ内に延びるスペーサ２２の開口部である。しかしながら、当技術分野で知られている他の機構又は構造を使用して、電解質２０を電解質収容空間２２ａに進入させることができる。電解質収容チャネル２２ｂは、利用されないとき、又は電解質収容空間２２ａからガスを排出するために使用されるとき、いくらかの容量で詰まってしまうか又は塞がれ得る。
【００３９】
電解質２０は、酸を含む様々な物質であり得る。ただし、物質は、その物質を導電性にする遊離イオンを含む物質でなければならない。電解質２０は、溶液、溶融材料、及び／又は固体であってもよく、電解質のイオンを介して電池回路を作成するのに役立つ。本発明によるバイポーラ電池１００では、活物質１６、１８は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する反応を提供し、電解質２０は、電気エネルギーがバイポーラプレート１０から、電池１００の電極３６と同様に、別のバイポーラプレート１０に流れることを可能にする。
【００４０】
示された実施形態では、電解質２０は、図４及び図５に示されるように、吸収ガラスマット（ＡＧＭ）２１に保持される酸である。電解質２０は、毛細管現象によりガラスマット２１上に保持されている。非常に細いガラス繊維がガラスマット２１に織り込まれ、その寿命にわたってセル上に充分な電解質２０を保持するのに充分な表面積を増加させる。微細なガラス繊維ガラスマット２１を含む繊維は、それらが存在する酸性電解質２０を吸収せず、影響も受けない。ガラスマットの寸法のサイズは様々であり得る。しかしながら、示された実施形態では、ガラスマット２１は電解質収容空間２２ａ内に収まるが、スペーサ２２よりも厚い。さらに、示された実施形態では、電解質収容空間２２ａは、電解質２０の一部、より具体的にはガラスマット２１のための空間をさらに備える。その結果、本発明によるバイポーラ電池１００の設計は、ガラスマット２１を保持するスペーサ２２が隣接するバイポーラプレート１０と均一に積層することを可能にし、活物質１６、１８は、電解質２０を含むガラスマット２１上に収容される。
【００４１】
また、ガラスマット２１が除去され、ゲル電解質などの電解質２０が、スペーサ２２の両側の隣接する積層バイポーラプレート１０の間の隣接する活物質１６、１８間を自由に流れることも可能である。
【００４２】
他の実施形態では、スペーサ２２がフレーム１１の延長部であることも可能である。一般に、フレーム１１は、電解質２０と同様に、鉛箔１４及び活物質１６、１８を入れるために、より深い材料収容通路１１ｂを備える。さらに、積層可能なバイポーラプレート１０の材料収容通路１１ｂが互いに間にガラス繊維マット２１も保持できるようにフレーム１１の寸法を決めることができれば、収納されている鉛箔１４、活物質１６、１８、ガラスマット２１及び積層され密封されたバイポーラプレート１０内の電解質２０を囲む。フレーム１１は、フレームを通って材料収容通路１１ｂ内に延びる電解質収容チャネル２２ｂを備えてもよい。この実施形態では、バイポーラプレート１０は、互いに積層され、密封され得る。
【００４３】
ここで、図４〜図６を参照すると、バイポーラ電池１００の端を覆う、バイポーラ電池１００の端子部３０について説明する。端子部３０は、積層バイポーラプレート１０の反対側に積層され、互いに隣接して積層されたバイポーラプレート１０の数は、特定の電池設計及び形状に必要な電位に依存する。
【００４４】
各端子部３０は、追加の活物質層３２、端子プレート３４、電極３６、及びエンドプレート３８を備える。エンドプレート３８は、積層バイポーラプレート１０の逆末端に、活物質３２、端子プレート３４及びエンドプレート３８内に配置される電極３６と配置される。
【００４５】
活物質３２は、一方の端子部３０から他方の端子部３０へのバイポーラ電池１００を通る電気の流れを増加させるために提供される。活物質３２は、隣接するバイポーラプレート１０からの隣接する活物質１６、１８と相互作用する材料でできている。上述のように、スペーサ２２及び電解質２０は、バイポーラプレート１０の各積層可能な側に配置されるため、スペーサ２２は、端子部３０と外側のバイポーラプレート１０との間に配置される。その結果、イオンは電解質２０を通って自由に流れ、端子部３０の活物質３２に達することができる。
【００４６】
図５〜図６に示されるように、端子プレート３４が設けられ、端子部３０内に入れられる。端子プレート３４は伝導性であり、概して金属である。端子プレート３４は、バイポーラ電池１００のアノード又はカソードのいずれかである電極３６に取り付けられている。アノードは、電子がセルを出て酸化が起こる電極３６として定義され、カソードは、電子がセルに入り、還元が起こる電極３６として定義される。各電極３６は、セルを通る電流の方向に応じて、アノード又はカソードのいずれかになり得る。端子プレート３４と電極３６の両方を一体として形成することが可能である。
【００４７】
図４〜図６に示すように、エンドプレート３８は非伝導性であり、本発明によるバイポーラ電池１００の端に構造的支持を提供する。エンドプレート３８は、端子収容通路３８ａを備え、これは、端子プレート３４、電極３６、及び活物質３２が配置される凹部である。さらに、材料収容通路１１ｂと同様に、端子収容通路３８ａは、端子部３０、具体的には活物質３２、端子プレート３４及び電極３６とともに材料収容通路１１ｂ内に入れられる電解質２０の量に対して充分なクリアランスを提供する。図５及び図６に示される実施形態では、端子収容通路３８ａは、同様にガラスマット２１の一部を受け入れて囲むのに充分な空間を提供する。
【００４８】
図３から図８を参照すると、本発明によるバイポーラ電池１００の組み立てをさらに説明する。
【００４９】
バイポーラプレート１０は、フレーム１１に固定された基材１２、１１２と共に製造及び組み立てられる。基材１２、１１２は、穿孔１３及び／又は導体粒子又は繊維１１２ｂを含み、概して、単一又は別個の構成要素としてフレーム１１とともに成形される。基材１２、１１２がフレーム１１内に配置されると、鉛箔１４は、基材１２、１１２の両方の露出面上のフレーム１１の材料収容通路１１ｂと共に配置される。鉛箔１４は、穿孔１３を介して機械的に共に接続され、基材１２、１１２に設けられた導体粒子又は繊維１１２ｂを介して電気的に接続されている。次に、第１活物質１６が基材１２の片側の材料収容通路１１ｂに配置され、一方、第２活物質１８が材料収容通路１１ｂ内の基材の他の側に配置される。その結果、フレーム１１は、バイポーラプレート１０の表面境界内に基材１２、鉛箔１４、及び活物質１６、１８を入れる。
【００５０】
バイポーラプレート１０は、次に、各積層バイポーラプレートの間にスペーサ２２が設けられた状態で互いに隣接して積層される。電解質２０は、フレーム１１の材料収容通路１１ｂと同様の寸法の電解質収容空間２２ａに設けられている。同様に、ガラス繊維マット２１を電解質収容空間２２ａに設けることができ、電解質２０が電解質収容チャネル２２ｂを通してガラス繊維マット２１に設けられる。スペーサ２２及びバイポーラプレート１０は、互いに隣接して均等に積層し、その後密封される。スペーサ２２及び積層バイポーラプレート１０は非伝導性の外面を備えるため、バイポーラプレート１０のスペーサ２２及びフレーム１１は、バイポーラ電池１００の外殻を形成する。バイポーラプレート１０のフレーム１１及びスペーサ２２は、スペーサ２２及びフレーム１１の接触面が互いに固定されて密封されるように、当技術分野で知られている任意の方法によって互いに固定することができる。例えば、接着剤を使用して、表面を互いに接続し密封することができる。加えて、一旦端子部３０が組み立てられると、それらは、積層バイポーラプレート１０及びスペーサ２２上に配置され、その後、同じ方法で密封され得る。
【００５１】
エンドプレート３８、スペーサ２２、及びフレーム１１が、接合技術又は締結具などの固定機構（図示せず）を備え、バイポーラ電池１００の部品を互いに接続することも可能である。次に、シーラントを塗布して、バイポーラ電池１００の周囲の密封、より具体的には、接続エンドプレート３８、スペーサ２２、及びフレーム１１の周囲の密封を提供することができる。
【００５２】
また、バイポーラプレート１０を積層して、スペーサ２２なしで互いに隣接して固定することも可能である。しかしながら、材料収容通路１１ｂは、積層バイポーラプレート１０が一緒に密封されるとき、鉛箔１４、活物質１６、１８、及びガラス繊維マット２１を含む電解質２０を保持及び入れるのに充分大きくなければならない。さらに、フレーム１１は、フレーム１１の延長部に配置された少なくとも１つの電解質収容チャネル２２ｂを備えるべきであり、そのため電解質２０をフレーム１１の材料収容通路１１ｂに提供するか、電解質２０の通気を可能にすることができる。
【００５３】
バイポーラ電池１００で使用されるバイポーラプレート１０の数は、設計上の問題であり、電池１００のサイズ及び必要な電位に依存する。示された実施形態では、少なくとも３つのバイポーラプレート１０が互いに隣接して積層されている。積層バイポーラプレート１０及び電解質２０の逆末端には、エンドプレート３８と同様に、活物質３２の層、端子プレート３４及び電極３６を含む端子部３０がある。示された実施形態では、スペーサ２２及びフレーム１１の外面は、積層され密封されたとき、互いに十分に同一平面にある。この設計は、滑らかな外側支持面を提供する。ただし、表面に不規則性が存在する可能性がある。例えば、スペーサ２２はフレーム１１より大きくてもよいが、電解質収容空間２２ａは、フレーム１１よりも大きくすることはできない。さらに、材料収容通路１１ｂは、スペーサ２２よりも大きくすることはできない。いずれの場合でも、スペーサ２２とバイポーラプレート１０を密封することは困難である可能性があり、組み立て後に電解質２０がバイポーラ電池１００から漏れることがあり、電解質２０は隣接するバイポーラプレート１０の間に配置される。
【００５４】
さらに、エンドプレート３８が隣接するスペーサ２２及び／又は隣接するバイポーラプレート１０のフレーム１１の隣に積層されるとき、エンドプレート３８、スペーサ２２及びフレーム１１の外面は十分に同一平面にあるべきである。ただし、表面に不規則性が存在する可能性がある。例えば、エンドプレート３８は、フレーム１１よりも大きくてもよいスペーサ２２よりも、少し大きくてもよい。それにも関わらず、端子収容通路３８ａは収容チャネル２２ｂ又はフレーム１１より大きくてはならない。さらに、端子収容通路３８ａは、材料収容通路１１ｂ又はフレームよりも大きくてはならず、あるいはエンドプレート３８は、スペーサ２２よりも小さくてはならない。どちらの場合でも、電解質２０は組み立て後にバイポーラ電池１００から漏れることがあり、電解質２０は積層バイポーラプレート１０の間に提供される。一般に、フレーム１１はバイポーラプレート１０を支持し、電解質と同様に、基材１２、鉛箔１４、及び活物質１６、１８を包み込む。積層されたとき、隣接するスペーサ２０及び積層端子部３０を備えたバイポーラプレート１０は、バイポーラ電池１００の外側支持面を提供する。この構造は、従来技術で必要とされるよりも製造工程及び部品が少ない、簡素化された設計のバイポーラ電池１００を提供する。フレーム１０、スペーサ２２、及びエンドプレート３８は絶縁性プラスチックであり、成形可能であるため、バイポーラ電池１００は、電位及び使用に依存する形状及びサイズ要件に適合するようにカスタマイズすることができる。
【００５５】
別の実施形態では、図５に示されるように、本発明によるバイポーラ電池１００を囲む保護ケーシング２００がさらに設けられる。ケーシング２００は、電極３６がケーシング２００の外に延びるために、本体２０２、カバー２０４、及び電極収容空間２０６を備えるであろう。バイポーラ電池１００の外部構造とは異なり、ケーシング２００は、バイポーラ電池１００を収容し、より大きな保護を提供するために使用することができる。
【００５６】
別の実施形態では、図１０に示すように、上記の実施形態のバイポーラプレート１０は、基材１２、１１２の各側に配置された複数のスタンドオフ４０をさらに備えることができる。スタンドオフ４０は、基材１２、１１２の各側に一体的に形成され、穿孔１３から離間している。図１０に示す実施形態では、基材１２、１１２上に配置された鉛箔１４は、スタンドオフ４０に対応する穴４１を有し、鉛箔１４がスタンドオフ４０を収容し、基材１２、１１２の表面上に配置されるようにする。
【００５７】
スタンドオフ４０を備えたバイポーラプレート１０がバイポーラ電池に組み立てられると、１つのバイポーラプレート１０のフレーム１１及びスタンドオフ４０は、別のバイポーラプレート１０のフレーム１１及びスタンドオフ４０にそれぞれ取り付けられ、バイポーラ電池アセンブリのバイポーラプレート１０間の均一な間隔及び構造的完全性を提供する。１つのバイポーラプレート１０のフレーム１１は、超音波溶接、化学溶接、溶剤溶接、スピン溶接、又はホットプレート溶接を含む当業者に知られている任意のタイプの溶接によって別のバイポーラプレート１０のフレーム１１に取り付けられてもよい。あるいは、フック及びラッチ又はボール及びソケット接続を含む、当業者に知られている任意の機械的接続によって、フレーム１１を別のフレーム１１に取り付けてもよい。１つのバイポーラプレート１０のスタンドオフ４０は、超音波溶接、化学溶接、溶剤溶接、スピン溶接、又はホットプレート溶接を含む当業者に知られている任意のタイプのプラスチック溶接によって別のバイポーラプレート１０のスタンドオフ４０に取り付けられてもよい。あるいは、フック及びラッチ又はボール及びソケット接続を含む、当業者に知られている任意のタイプの機械的接続によって、スタンドオフ４０を他のスタンドオフ４０に取り付けてもよい。
【００５８】
上記は、本発明を実施するためのいくつかの可能性を示している。本発明の範囲及び趣旨内で、他の多くの実施形態が可能である。したがって、前述の説明は限定ではなく例示と見なされること、及び本発明の範囲はその全範囲の均等物と共に添付の特許請求の範囲とによって与えられることが意図されている。
【図１】
2020510968.tif 000003
【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９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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