JP2016533024A - 電気化学蓄電池の板状バッテリ電極用の格子配列物、および蓄電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、フレーム(117、118、119、120)と、フレームに対して配列された格子(113)とを有する、電気化学蓄電池の板状バッテリ電極用の格子配列物(101)に関する。フレームは、少なくとも1つの上部フレーム要素(120)を有し、バッテリ電極の接続ラグ(103)が、上部フレーム要素の格子から離れた方に面する面上に配置され、格子は少なくとも、実質的に水平に通る格子ロッドである水平ロッド(21〜25)と、実質的に垂直に通る格子ロッドである垂直ロッド(9〜20)とで形成される。垂直ロッドの少なくとも一部が、互いに異なる角度で扇状に配列される。本発明は、蓄電池にも関する。【選択図】図5
Description
本発明は、請求項1のプリアンブルに記載の、電気化学蓄電池の板状バッテリ電極用の格子配列物に関する。本発明はさらに、請求項7に記載の蓄電池に関する。
一般に、本発明は、電極板としても知られる板状バッテリ電極を有する、電気化学蓄電池の分野に関する。そのような蓄電池は、特に鉛酸バッテリとして製造されている。そのようなバッテリ電極の格子配列物については、例えば、DE102008029386A1およびWO01/04977A1に記載されている。そのような格子配列物は通常、鉛で形成されている。原材料価格の高騰により、また電気化学蓄電池の重量を低減させる目的で、使用される鉛の量を最小限に抑えることが望ましい。
したがって、本発明は、性能を何ら損なわずに必要な鉛の量が低減され得る、最適化された格子配列物を規定するという課題に基づくものである。
この課題は、請求項1によれば、フレームと、それに対して配列された格子とを有する、電気化学蓄電池の板状バッテリ電極用の格子配列物であって、フレームが少なくとも1つの上部フレーム要素を備え、バッテリ電極の接続ラグが少なくとも1つの上部フレーム要素の格子から離れた方に面する側に配設され、格子が少なくとも、実質的に水平に延在するバーである水平バーと、実質的に垂直に延在するバーである垂直バーとによって形成され、垂直バーの少なくとも一部が、互いに異なる角度で扇状に配列される格子配列物において、以下の、
a) 格子配列物の重心を通り、格子配列物の重心まで最短距離を有する垂直バーの中心軸に対して平行な線である直線が、接続ラグを、接続ラグ幅の15%未満、特に10%未満の距離だけ隔てたところで通過し、または接続ラグと交わる、
b) 格子配列物の重心を通り、格子配列物の重心まで最短距離を有する垂直バーの中心軸に対して平行な線である直線が、上部フレーム要素と、接続ラグの垂直中心軸から上部フレーム要素の長さの15%未満、特に10%未満離れた地点で交わる、
c) 格子配列物の上部フレーム要素と下部フレーム要素の両方と交わる、または少なくとも数学的に延長して交わることになる、それらの垂直バーの全ての角度の和が、7°よりも大きく、ただし角度は、正確に垂直に延在する軸によって定義される、
d) 格子配列物の上部フレーム要素と下部フレーム要素の両方と交わる、または少なくとも数学的に延長して交わることになる、最も外側の左垂直バーおよび最も外側の右垂直バーの角度の和が、7°よりも大きく、ただし角度は、正確に垂直に延在する軸によって定義される、
の特徴の少なくとも1つ、一部、または全部を有する、格子配列物によって解決される。
a) 格子配列物の重心を通り、格子配列物の重心まで最短距離を有する垂直バーの中心軸に対して平行な線である直線が、接続ラグを、接続ラグ幅の15%未満、特に10%未満の距離だけ隔てたところで通過し、または接続ラグと交わる、
b) 格子配列物の重心を通り、格子配列物の重心まで最短距離を有する垂直バーの中心軸に対して平行な線である直線が、上部フレーム要素と、接続ラグの垂直中心軸から上部フレーム要素の長さの15%未満、特に10%未満離れた地点で交わる、
c) 格子配列物の上部フレーム要素と下部フレーム要素の両方と交わる、または少なくとも数学的に延長して交わることになる、それらの垂直バーの全ての角度の和が、7°よりも大きく、ただし角度は、正確に垂直に延在する軸によって定義される、
d) 格子配列物の上部フレーム要素と下部フレーム要素の両方と交わる、または少なくとも数学的に延長して交わることになる、最も外側の左垂直バーおよび最も外側の右垂直バーの角度の和が、7°よりも大きく、ただし角度は、正確に垂直に延在する軸によって定義される、
の特徴の少なくとも1つ、一部、または全部を有する、格子配列物によって解決される。
簡単に言えば、本発明による格子配列物はそれ自体を、垂直バーが全体として接続ラグに向かって傾斜(canted)または傾斜(tilted)している配列によって、周知の格子配列物とは区別する。これにより、一方では、鉛原材料の所望の材料節減と、それに加えて付随する軽量化が可能になり、さらには、原材料を節約するにも関わらず、電気伝導性の更なる改善が可能になる。したがって、本発明の格子配列物は、重量が周知の蓄電池未満であり、それでいてより良好な電気的性能データを呈する、蓄電池を提供することを可能にする。
言及した、垂直バーの修正された空間的方向は、請求項1に記載のa)、b)、c)、d)特徴の1つ、複数、または全部に従って表わされ得る。
特徴a)およびb)によれば、格子配列物の重心が通る直線が、それにより定義される。格子配列物の重心は、物理学の分野で一般に認められているように、接続ラグを含む格子配列物の質量中心と理解される。本体の質量中心は、その質点位置の質量加重平均である。格子配列物は通常、比較的均質の鉛材料で形成され、したがってその場合、質量中心は幾何学的重心にも対応する。格子配列物の重心を通る言及した直線はさらに、格子配列物の重心から最短距離のところにある垂直バーの中心軸に対して平行な線である。すなわち、重心の最も近くにある垂直バーを決定する必要があり、したがって、言及した直線は、その垂直バーの中心軸に対して平行な線となる。中心軸は、言わば、垂直バーの長手方向軸であり、したがって、垂直バーに沿ったちょうど中心を長手方向に通り、すなわち実質的に垂直である。したがって、中心軸は、垂直バーを2等分していると言われてもよい。
特徴a)によれば、直線は、接続ラグを、ある一定の距離だけ隔てたところで通過し、またはそれと交わることができる。直線が接続ラグを通過する場合、直線に接続ラグとの交点はない。特徴b)によれば、定義された直線は同様に、上部フレーム要素と、先に明らかにされたように接続ラグの垂直中心軸に対して定義された特定の地点で交わる。接続ラグのちょうど中心で正確に垂直に通る軸が、この場合、垂直中心軸であると理解される。
水平に、垂直に、上に、下に、および/または水平もしくは垂直などの用語の使用に限り、これらの用語は、仕様に準拠して使用した場合の正常位置にあるときの電気化学蓄電池内でのバッテリ電極の取付け方向を指す。一般的に、蓄電池の仕様に準拠した正常位置とは、蓄電池の底部が水平位置にある状態である。
角度が度単位(例えば7°)で規定される場合、規定では、360°の円寸法全体を参照とする。
本発明の有利な更なる一開発によれば、扇状に配列された垂直バーは、隣接する垂直バー間に5°未満の角度差を呈する。これにより、電気的性能ならびに材料の量、すなわち重量の点から、格子配列物の更なる最適化が可能になる。
本発明の有利な更なる一開発によれば、接続ラグは、上部フレーム要素上に非対称に配置される。接続ラグは、上部フレーム要素の長い方のレッグ(leg)の側に配設された第1の垂直側を有し、それにより、請求項1に記載の特徴a)による直線が、接続ラグをその第1の垂直側で通過し、もしくは接続ラグとその第1の垂直側で交わり、および/または請求項1に記載の特徴b)による直線が上部フレーム要素と交わる地点が、上部フレーム要素の長い方のレッグの領域内にある。これにより、電気伝導性と、材料の必要性および格子配列物の重量とがさらに最適化される。言及した直線はその場合、言わば、接続ラグの内側ラグコーナー、すなわち、上部フレーム要素の長い方のレッグに面するコーナーの側にある。
本発明の有利な更なる一開発によれば、格子配列物は、スタンピング加工された鉛格子である。本発明の有利な更なる一開発によれば、格子配列物は、正バッテリ電極用の正極格子配列物として設計される。
格子配列物は、少なくとも、上部フレーム要素を備える。格子配列物はさらに、下部フレーム要素と、左フレーム要素ならびに右フレーム要素とを備えることができ、その場合、上部フレーム要素が下部フレーム要素に、左側フレーム要素および右側フレーム要素によって接続される。格子はそれにより、フレームを用いて配列される。そのようにすることで、その下部領域内を含めて堅牢性が高められた格子配列物がもたらされる。
最初に言及した課題はさらに、請求項7に従って、1つまたは複数の電極板群状に構成された複数の板状バッテリ電極を有する蓄電池であって、それらのバッテリ電極の1つ、複数、または全部が、請求項1から6のいずれか一項に記載の格子配列物を備える、蓄電池によって解決される。
以下では、本発明を実施形態によってより詳細に説明する中で、図面を参照する。
図面では、等価な要素に同一の参照番号を使用している。
図1は、本発明による蓄電池100の基本設計例を示す。蓄電池100は、特に、例えば硫酸の形をとる液体電解質を有する鉛酸バッテリとして設計され得る。蓄電池100は、ハウジング110を有し、その中に、より多くのまたはより多くの極板群107が配置される。蓄電池100は、そのセル数に基づいて、固定数の極板群107を有する。極板群107はそれぞれ、仕切りによって互いに分離された、ハウジング110の個別の保持チャンバ内に配置される。極板群107は、図1に描かれていない内部接続要素によって、ハウジング110内で一緒に接続されて、直列接続になる。極板群の一方の端部の正極板、および極板群の他方の端部の負極板が、蓄電池ハウジング110のカバー部111内に位置する、それぞれに対応する外部端子108、109に電気的に接続される。蓄電池100の電気エネルギーは、端子108、109を通じて電気的負荷に供給される。
極板群107はそれぞれ、交互する正電極板と負電極板とを備える。負電極板は、負極板グループ115として描かれており、正電極板は、正極板グループ114として描かれている。図1は、説明のために個別の電極板の描写を含み、すなわち負電極板105が、平坦な負極鉛格子102を備え、正電極板104が、平坦な正極鉛格子101を備えている。図1に描かれている正電極板104および負電極板105は、固形活物質を用いたペースト(pasting)をすでに呈しており、それが個別の格子バーと孔(cutout)とを覆っている。正極鉛格子および/または負極鉛格子は、複数の格子バーと、格子バー間に形成された複数の窓様孔とを備える。正極鉛格子101および/または負極鉛格子102は、例えば、スタンピングプロセスにおいて作製されてもよく、鋳造および/または圧延などの他の方法によって作製されてもよい。
正電極板104はさらに、負電極板105から、セパレータ材106によって分離される。セパレータ材106は、特に、正電極板104を収容し、それを隣接する電極板から分離するように、袋状に形成され得る。
正電極板104はそれぞれ、正極板グループ114内の電極板がそれによって一緒に接続されて並列接続になる、それぞれに対応する接続ラグ103を備える。負電極板105はそれぞれ、負極板グループ115内の電極板がそれによって一緒に接続されて並列接続になる、それぞれに対応する接続ラグ103を備える。接続は、図1に見て取れるように、接続ラグ103上にはんだ付けまたは溶接される、コネクタ112によって行われ得る。
図1による蓄電池100は、特に、例えば正電極板104の形をとる、1つまたは複数の本発明の電極板を備えることができる。
図2は、正極鉛格子101の例を上面図として示す。鉛格子101が、複数の格子バー114を有し、それらの間が複数の窓様孔113であることが分かる。鉛格子101を取り扱い易くするために、また機械的安定性、ならびに電気的特性の改善を目的として、鉛格子101の外縁が、次の列挙するフレーム区分、すなわち上部フレーム区分115、左側フレーム区分119、下部フレーム区分117、右側フレーム区分118の1つ、一部、または全部を呈してよい。
図3は、図2の鉛格子101が、通常はペースト状で塗布される固形活物質で少なくとも部分的に覆われた後を示す。このプロセスは、ペースト付け(pasting)としても知られる。図4は、固形活物質が与えられた図3の鉛格子103が、被包物(wrapper)様セパレータ106に挿入されている様子を示す。
図5は、本発明に従って形成された、この場合もやはり上部フレーム要素120と、下部フレーム要素117と、右側フレーム要素118と、左側フレーム要素119とを有するフレームを備える、格子配列物101を示す。格子113が、上述のフレーム要素によって囲まれたエリア内にある。図から分かるように、上部フレーム要素120上に配設された接続ラグ103が、上部フレーム要素120上で格子配列物の中心のいくらか右側に、非対称に配置されている。正確に垂直に通る垂直中心軸Aが、接続ラグ103の中心と交わる。垂直中心軸Aはそれにより、垂直基準軸としての役割も果たす。
図5には、格子113をより詳細に規定するために、更なる参照番号が設けられている。格子113は複数の水平バーを備え、それらのうち、水平バー21〜25に、説明のために参照番号が設けられている。水平バーは、実質的に水平に延在する。垂直バーは、水平バーと交わり、または水平バーを横切り、または水平バーに接する。垂直バーのうち、垂直バー9〜20に、説明のために参照番号が設けられている。垂直バーは、正確に垂直に通るのではなく、互いに異なる角度で扇状をなして通り、それにより、上部フレーム要素120から外側に放射状に広がる。参照番号9〜20によって識別される垂直バーは、上部フレーム要素とも、少なくとも数学的に延長して下部フレーム要素117とも交わる。さらに、それらの左側および右側に配列された、参照番号が設けられていない垂直バーは、数学的に延長してさえ、下部フレーム要素117と交わらない。
本発明による格子配列物の場合、垂直バー9〜20の、すなわち、格子配列物の上部フレーム要素と下部フレーム要素の両方と交わる、または少なくとも数学的に延長して交わる垂直バーの全ての角度の和が、7°よりも大きくなることが可能である。角度はこの場合、垂直基準軸Aに対して定義される。この結果、全ての角度の和が、中心軸Mと垂直基準軸Aとの交角にほぼ等しくなる。換言すれば、和によってもたらされる垂直基準軸Aに対する傾斜角は、7°よりも大きな値である。
それに対応して、本発明の格子配列物はまた、格子配列物の上部フレーム要素と下部フレーム要素の両方と交わる、または少なくとも数学的に延長して交わることになる、最も外側の左垂直バー9および最も外側の右垂直バー20の角度の和に関し、この場合もやはり垂直に延在する基準軸Aに対して、7°よりも大きな値を呈する。
接続ラグ103は、上部フレーム要素120の長い方のレッグ3の側に配置された第1の垂直側2を有する。反対側の第2の垂直側4が、上部フレーム要素120の短い方のレッグ5の側に配置される。レッグ3、5は、接続ラグ103のそれぞれに対応する左側および右側に形成される。
図5による格子配列物内には、重心Sがプロットされている。垂直バー14は、重心Sの最も近くにある垂直バー、すなわち、重心Sからの最少距離を有する垂直バーである。垂直バー14の中心軸Mも、図5にプロットされている。重心Sを通る、中心軸Mに対して平行な線がさらに、直線Gとしてプロットされている。前記直線Gは接続ラグ103を、第1の垂直側2の距離Dだけ隔てたところで通過する。本発明による格子配列物では、直線Gは、接続ラグ103と、特に第1の垂直側2のエリア内で交わることもできる。交点は、第1の垂直側2とは反対側の接続ラグ103の第2の垂直側4に至るまでの、接続ラグ103上の他の位置にあってもよい。
本発明の格子配列物では、直線Gが上部フレーム要素120と交わる地点1が、接続ラグ103の垂直中心軸Aから上部フレーム要素120の長さLの15%未満、特に10%未満の距離だけ隔てたところにあることが、さらに可能となり得る。格子配列物101の幅にも同時に対応する上部フレーム要素120の長さLは、図5にプロットされている。接続ラグ103の幅Bも同様にプロットされている。
図6は、図5による実施形態よりも狭い構造を有する、更なる本発明の格子配列物101を示す。したがって、上部フレーム要素の長さLは、図5による実施形態よりも短い。全幅がより短いため、図6による格子配列物101の方が垂直バーが少ない。垂直バーのうち、垂直バー9、10、11、14、17、18、19、および20だけが、上部フレーム要素と交わり、少なくとも数学的に延長して下部フレーム要素117とも交わる。垂直バーのこのサブセットのうち、垂直バー9が、この場合もやはり最も外側の左垂直バーであり、垂直バー20が、この場合もやはり最も外側の右垂直バーである。参照番号が設けられていない更なる垂直バーが、垂直バーのこのサブセットの左側および右側に配列されており、やはり延長しても下部フレーム要素117と交わらない。図6による実施形態では、垂直バー14が、この場合もやはり、格子配列物101の重心Sの最も近くにある垂直バーである。
図6の参照番号は、その他については、図5の参照番号に対応する。
識別に役立つように、図6ではまた、格子配列物の右側に、重心S、中心軸M、および直線Gの配置と、接続ラグ103からの距離Dとを、格子バーなしで別途プロットしている。図6の左側部分内での直線Gの進路は、その一部が垂直バー14の縁部に沿って通っているので、いささか区別し難くなっている。
図5および図6による実施形態は、本発明の普遍的な適用可能性を文書化するものである。
Claims (7)
- フレーム(117、118、119、120)と、それに対して配列された格子(113)とを有する、電気化学蓄電池(100)の板状バッテリ電極(104、105)用の格子配列物(101、102)であって、前記フレーム(117、118、119、120)が少なくとも1つの上部フレーム要素(120)を備え、前記バッテリ電極(104、105)の接続ラグ(103)が前記少なくとも1つの上部フレーム要素(120)の前記格子(113)から離れた方に面する側に配設され、前記格子(113)が少なくとも、実質的に水平に延在するバーである水平バー(21〜25)と、実質的に垂直に延在するバーである垂直バー(9〜20)とによって形成され、前記垂直バー(9〜20)の少なくとも一部が、互いに異なる角度で扇状に配列される格子配列物において、以下の、
a) 前記格子配列物(101、102)の重心を通り、前記格子配列物(101、102)の重心(S)まで最短距離を有する前記垂直バー(14)の中心軸(M)に対して平行な線である直線(G)が、前記接続ラグ(103)を、接続ラグ幅(B)の15%未満、特に10%未満の距離(D)だけ隔てたところで通過し、または前記接続ラグ(103)と交わる、
b) 前記格子配列物(101、102)の重心を通り、前記格子配列物(101、102)の重心(S)まで最短距離を有する前記垂直バー(14)の中心軸(M)に対して平行な線である直線(G)が、前記上部フレーム要素(120)と、前記接続ラグ(103)の垂直中心軸(A)から前記上部フレーム要素(120)の長さ(L)の15%未満、特に10%未満離れた地点(1)で交わる、
c) 前記格子配列物(101、102)の前記上部フレーム要素と前記下部フレーム要素(120)の両方と交わる、または少なくとも数学的に延長して交わることになる、それらの垂直バー(9〜20)の全ての角度の和が、7°よりも大きく、ただし角度は、正確に垂直に延在する軸(A)によって定義される、
d) 前記格子配列物(101、102)の前記上部フレーム要素と前記下部フレーム要素(120)の両方と交わる、または少なくとも数学的に延長して交わることになる、最も外側の左垂直バーおよび最も外側の右垂直バー(10、20)の角度の和が、7°よりも大きく、ただし角度は、正確に垂直に延在する軸(A)によって定義される、
の特徴の少なくとも1つ、一部、または全部によって特徴付けられる、格子配列物。 - 扇状に配列された前記垂直バー(9〜20)が、隣接する垂直バー間に5°未満の角度差を呈することを特徴とする、請求項1に記載の格子配列物。
- 前記接続ラグ(103)が、前記上部フレーム要素(120)上に非対称に配置され、前記上部フレーム要素(120)の長い方のレッグ(3)の側に配設された第1の垂直側(2)を有し、請求項1に記載の特徴a)による前記直線(G)が、前記接続ラグ(103)をその第1の垂直側(2)で通過し、もしくは前記接続ラグ(103)とその第1の垂直側(2)で交わり、および/または請求項1に記載の特徴b)による前記直線(G)が前記上部フレーム要素と交わる前記地点(1)が、前記上部フレーム要素(120)の前記長い方のレッグ(3)の領域内にあることを特徴とする、請求項1または2に記載の格子配列物。
- 前記格子配列物(101、102)が、スタンピング加工された鉛格子であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の格子配列物。
- 前記格子配列物(101、102)が、正バッテリ電極(104、105)用の正極格子配列物として設計されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の格子配列物。
- 前記フレーム(117、118、119、120)が、前記上部フレーム要素(120)と、下部フレーム要素(117)と、左側フレーム要素(118)および右側フレーム要素(119)とを備え、前記上部フレーム要素(120)が前記下部フレーム要素(117)に、前記左側フレーム要素(118)および前記右側フレーム要素(119)によって接続され、前記格子(113)が、前記フレーム(117、118、119、120)を用いて配設されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の格子配列物。
- 1つまたは複数の電極板群(107)状に構成された複数の板状バッテリ電極(104、105)を有する蓄電池(100)であって、前記バッテリ電極(104、105)の1つ、複数、または全部が、請求項1から6のいずれか一項に記載の格子配列物(101、102)を備える、蓄電池(100)。
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