KR20090125253A - 배터리용 음극 그리드 - Google Patents

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KR20090125253A
KR20090125253A KR1020097019301A KR20097019301A KR20090125253A KR 20090125253 A KR20090125253 A KR 20090125253A KR 1020097019301 A KR1020097019301 A KR 1020097019301A KR 20097019301 A KR20097019301 A KR 20097019301A KR 20090125253 A KR20090125253 A KR 20090125253A
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KR1020097019301A
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제프리 엘. 트록셀
찰스 제이. 샤에퍼
글렌 더블유. 엔더슨
마이클 이. 라크로익스
웬-홍 카오
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존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니
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Abstract

배터리 그리드 소재의 스트립을 제공하는 단계와, 소재를 제거하여 그리드를 형성하기 위해 상기 배터리 그리드 소재를 펀칭 가공하는 단계를 포함하는 배터리용 음극 그리드 제조 방법에 관한 것이다. 상기 펀칭 가공은 프레임으로 둘러싸여 있는 복수의 그리드 와이어들을 구비하는 음극 배터리 그리드를 제조한다. 상기 배터리 그리드는 상부 프레임 부재를 포함한다. 제1 사이드 프레임 부재가 상기 상부 프레임 부재의 제1 단부에서 상부 프레임 부재에 연결되어 있다. 제2 사이드 프레임 부재가 상기 상부 프레임 부재의 제2 단부에서 상부 프레임 부재에 연결되어 있다. 하부 프레임 부재는 상기 상부 프레임 부재와 이격되어 상기 제1 사이드 프레임 부재 및 제2 사이드 프레임 부재에 연결되어 있다. 본 음극 그리드는 그 음극 그리드가 폴리머 격리판 내에 제공될 때에 폴리머 격리판을 천공할 수 있는 노출된 와이어 단부를 포함하지 않는다.
Figure P1020097019301
납축전지, 배터리 음극 그리드, 펀칭 가공, 스탬핑, 코이닝, 프레임 부재

Description

배터리용 음극 그리드{NEGATIVE GRID FOR BATTERY}
본 출원은 2007년 3월 2일자로 출원된 미국 가출원 제60/904,404호의 이익을 향유하며, 그 출원의 우선권을 주장한다. 상기 가출원의 기재 사항 전부는 본 명세서에 참고문헌으로 통합되어 있다.
본 출원은 일반적으로 배터리 분야(예컨대 자동차와 같은 차량용의 시동, 점등 및 점화 납축전지)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 출원은 그러한 배터리에 사용되는 음극 그리드와, 그러한 음극 그리드를 제조하는 방법에 관한 것이다.
납축전지(lead-acid battery)는 황산 전해액이 저장되어 있는 용기의 개별 격실 내에 제공되어 있는 복수의 셀 요소들을 포함하는 것이 일반적이다. 각 셀 요소는 적어도 하나의 양극 판 또는 그리드와, 적어도 하나의 음극 판 또는 그리드 및 각 양극 판과 음극 판 사이에 위치하는 다공성 격리판(예컨대 폴리머 격리판)을 포함한다. 양극 판과 음극 판 각각은 전기화학적 활물질(전지 페이스트로 호칭됨)을 지지하는 납 또는 납 합금 그리드를 포함한다. 활물질은 상기 그리드 위에 발라져 있는 납-계열 소재(즉, 배터리의 충전/방전 단계에 따라 PbO, PbO2, Pb 또는 PbSO4)이다. 상기 그리드는 전류를 전도하는 양극 활물질과 음극 활물질 간에 전기 접점을 제공한다.
통상적으로, 양극 그리드와 음극 그리드는 서로 다른 공정으로 제조된다. 예를 들면, 양극 그리드는 여러 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 그 중 한 방법은 통상의 중력 주조 북 몰드 공정을 사용하는 것이다. 좀 더 최신의 다른 방법은 사전에 주조된 연속 금속(일례로 납 합금) 스트립을 다이에 장입하여 펀칭 공정(일례로 연속 다이를 사용하여)으로 스트립에서 소재를 제거하여 그리드 구조를 형성하는 연속 공정으로 그리드를 생산하는 것을 포함한다. 특수-변형된 다이를 사용하여 전지 페이스트의 부착성을 개선하기 위해, 각 그리드의 와이어들은 변형되거나 또는 "압인(코이닝)"될 수 있다. 그러한 공정들은 그 기재들이 본 출원에 참고로 통합되어 있는 다음의 미국 특허들에 상세하게 개시되어 있다: 미국 특허 제5,582,936호; 미국 특허 제5,989,749호; 미국 특허 제6,203,948호; 미국 특허 제6,274,274호; 및 미국 특허 제6,953,641호.
이에 반해, 음극 그리드는 익스팬디드 메탈(expanded metal) 공정으로 제조되는 것이 일반적이다. 주조(이른바 주조 스트립) 또는 주조 및 압연(이른바 전신(wrought) 스트립) 중 어느 하나에 의해 납 합금 스트립이 제조되고, 그런 다음 그 스트립을 슬릿 및 익스팬드하여, 상호 연결되어 있는 배터리 그리드 스트립 내에 원하는 그리드 패턴을 생성한다.
납축전지에 사용되는 음극 그리드를 제조하는, 개선된 방법이 제공되는 것이 바람직하다. 제조성과 성능이 개선된 음극 그리드를 제공하는 것이 또한 바람직하다. 본 명세서에 개시되어 있는 바에 의해 명백해지는 바와 같은, 어느 하나 또는 그 이상의 유리한 특징들을 포함하고 있는 그리드 및/또는 그리드를 제조하는 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 대표적인 실시 형태는, 배터리 그리드 소재의 스트립을 제공하는 단계와, 상기 배터리 그리드 소재로부터 재료를 제거하여 그리드를 형성하기 위해 상기 배터리 그리드 소재에 펀칭 공정을 수행하는 단계를 포함하는, 배터리용 음극 그리드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 펀칭 공정은 프레임으로 둘러싸여 있는 복수의 그리드 와이어들을 구비하는 음극 배터리 그리드를 제조한다. 상기 배터리 그리드는 상부 프레임 부재를 포함한다. 제1 사이드 프레임 부재는 상기 상부 프레임 부재의 제1 단부에서 상부 프레임 부재에 연결되어 있다. 제2 사이드 프레임 부재는 상기 상부 프레임 부재의 제2 단부에서 상부 프레임 부재에 연결되어 있다. 하부 프레임 부재가 상기 상부 프레임 부재와 이격되어서, 상기 제1 사이드 프레임 부재와 제2 사이드 프레임 부재에 연결되어 있다. 음극 그리드는 음극 그리드가 격리판 내에 제공될 때에 그 폴리머 격리판에 구멍을 낼 수도 있는, 노출된 와이어 단부를 포함하고 있지 않는다.
도 1은 대표적인 실시 형태에 따른 배터리의 절개 사시도이다.
도 2는 익스팬디드 메탈 공정으로 제조된, 납축전지에 사용되는 종래의 음극 배터리 그리드의 평면도이다.
도 3은 대표적인 실시 형태에 따른 음극 배터리 그리드의 평면도이다.
도 4 내지 도 8은 여러 대표적인 실시 형태에 따른 그리드 와이어들의 단면도이다.
도 9는 대표적인 다른 실시 형태에 따른 음극 배터리 그리드의 평면도이다.
도 10 내지 도 11은 도 9에 도시한 그리드 부분의 상세도이다.
도 12는 대표적인 다른 실시 형태에 따른 음극 배터리 그리드의 평면도이다.
도 13은 대표적인 다른 실시 형태에 따른 음극 배터리 그리드의 평면도이다.
도 1은 하우징 또는 용기(12)와, 상기 하우징(12)에 결합되어 있는 커버 또는 뚜껑(14)을 구비하는 배터리(10)의 절개 사시도이다. 단자(terminal) 또는 포스트(16, 18)가 커버(14)의 상부 표면에서 돌출되어 있다. 대표적인 일 실시 형태에 따르면, 단자(16)는 양극 단자이고, 단자(18)는 음극 단자이다. 대표적인 다른 실시 형태에 따르면, 단자들은 다른 위치에 마련될 수도 있다(예컨대, 사이드-단자 배터리의 경우에는 용기의 전방 표면 위에 위치할 수 있음).
하우징(12)은 그 내부가 벽 또는 격벽(22)에 의해 별개 공간들(20)로 구획되어 있다. 각 공간(20) 내에는 양극판(32)(예컨대 전극, 그리드)과 음극판(34)(예컨대 전극, 그리드)이 교대로 배치되어 구성된 셀 요소(30)가 제공되어 있다. 양극판과 음극판은 다공성 폴리머 격리판(36)에 의해 격리되어 있다(예를 들어, 미국 특허 제6,001,503호에 개시되어 있는 바와 같이, 음극판들이 인접 양극판들과 분리되어 있도록 음극판들이 격리판 외피 내에 제공되어 있다). 양극판(32)으로부터 신장되어 있는 돌기들(33)이 스트랩(strap)(40)과 결합되어 있고, 음극판(34)으로부터 신장되어 있는 돌기들(35)이 스트랩(42)에 결합되어 있다. 그런 다음, 양극 스트랩들은 양극 단자(16)에, 음극 스트랩들은 음극 단자(18)에 전기적으로 연결되어 있다.
도 2는 종래 기술에 의한 음극 그리드 또는 음극판(100)의 평면도이다. 그리드(100)는 상부 프레임 부재 또는 상부 프레임 요소(110)를 포함하는데, 상부 프레임 요소(110)는 그로부터 신장되어 있는 집전 돌기 형태의 부재(120)를 구비하고 있다. 그리드(100)는 하부 프레임 부재 또는 하부 프레임 요소(112)를 또한 포함한다. 상부 프레임 부재(110)와 하부 프레임 부재(112) 사이에는, 다이아몬드 모양으로 배치되어 있는, 상호 연결된 복수의 와이어들(130)이 있다. 와이어들의 교차점에 노드들(132)이 마련되어 있다.
통상적으로, 도 2에 도시된 것과 같은 음극 그리드는 칼날을 사용하여 판상의 금속 여러 군데에 슬릿을 내고, 금속판의 양 끝을 잡아당겨 금속판의 슬릿부를 확장시켜서 복수의 그리드 와이어를 형성하는, 익스팬디드 메탈 공정으로 제조된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 익스팬션 공정에서 상부 및 하부 프레임 요소를 잡아 당겨서 상호 연결된 와이어들을 형성한다. 익스팬션을 종료한 후, 금속판을 그리드로 절단하며, 그리드의 측면을 따라 와이어 단부들이 노출되게 된다(예를 들어 도 2에서 와이어 단부(134)). 그러한 구성에서 나타나는 문제점은, 음극 그리드의 사이드를 따르는 그리드 와이어 단부들이 격리판 외피에 구멍을 내서 인접 양극판 부위와 접촉할 수 있다는 것이다. 이는 내부 배터리 누전을 야기할 수 있으며, 배터리의 유효 수명을 상당히 감소시킨다.
대표적인 일 실시 형태에 따르면, 익스팬디드 메탈 공정으로 그리드를 형성하는 대신, 금속판(예컨대 납 합금 금속판)을 연속 펀칭 다이로 통과시키면서 소재를 제거하여 도 3에 도시한 그리드 형태를 형성하는 연속 펀칭 공정으로 그리드를 형성한다. 대표적인 일 실시 형태에 따르면, 통상적인 납 또는 납 합금 배터리 그리드 소재(납-칼슘-주석 합금)를 용해하고 연속 주조하여 그리드 소재의 연속 스트립을 제조한다. 그런 다음, 상기 연속 스트립을 압연 또는 단조하여 스트립의 결정 조직 또는 두께를 조절한다. 그리고 나서, 연속 스트립으로부터 그리드 소재를 펀칭하여 일련의 상호 연결된 배터리 그리드를 형성한다.
펀칭 공정 중에, 스트립은 연속된 스트립을 유지하며, 연속 펀칭 공정으로 상호 연결된 그리드 형상이 형성된다(예를 들면, 복수의 펀칭 공정을 통해 배터리 그리드에 형상들이 부가된다). 각 상호 연결된 배터리 그리드들은 도 3에 도시되어 있으며 전술한 바와 같이, 프레임으로 테가 둘러진 그리드 망을 구비한다.
상호 연결된 그리드들을 구비하는 스트립을 형성하는 펀칭 가공 또는 공정 후에, 선택적으로, 스트립의 배터리 그리드 와이어 섹션들이 스탬핑 또는 코이닝 조업 또는 공정으로 가공될 수 있다. 스탬핑 가공 또는 공정은 그리드 와이어들을 변형 또는 코이닝 가공하여 그리드 와이어들이 도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같은, 노드들 사이에 개량된 단면을 구비하도록 한다. 예를 들어, 스탬핑 가공 또는 공정은, 펀칭된 그리드의 그리드 와이어들의 사각형 단면을 도 4에 도시한 바와 같은 팔각형의 단면으로 변형시키는 다이를 포함할 수 있다. 대안적으로, 그리드 와이어 요소의 중간 부분을, 도 5에 도시한 바와 같이 그리드 와이어와 노드가 만나 는 그리드 와이어의 대향 단부들의 단면에 대해서 약 20도 내지 약 70 사이로 회전시키는 데에, 스탬핑 다이가 사용될 수 있다. 도 6 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 다른 변형 작업도 수행될 수 있다.
스탬핑 공정으로 제조되는 장방형 단면의 음극 그리드 페이스트 부착 특성보다 우수하도록 음극 그리드 페이스트 부착 특성을 개선하기 위해, 임의의 많은 변형된 그리드 와이어 형상들이 선택될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 다양한 대표적인 실시 형태에 따르면, 변형된 그리드 와이어는 실질적으로 다이아몬드 형상, 장사방형, 육각형, 팔각형 또는 계란형일 수 있다. 스탬핑 공정에서 그리드 와이어를 변형할 때에, 그리드의 길이부를 따르는 각 그리드 와이어 섹션의 대향 단부들 사이의 변형은 변할 수 있다. 예를 들어, 대표적인 일 실시 형태에 따르면, 그리드 와이어의 대향 단부들 사이의 그리드 와이어 길이의 약 90%가 스탬핑 공정에서 변형된다(예를 들어, 그리드 와이어 섹션의 일 단부 근방의 그리드 와이어 길이의 약 5%는 사각형 단면으로 되며, 그리드 와이어 길이의 중앙 90%는 실질적으로 팔각형 단면으로 되며, 그리드 와이어 섹션의 타 단부 근방의 그리드 와이어 길이의 약 5%는 사각형 단면으로 된다). 대표적인 다른 실시 형태에 따르면, 상기 와이어들이 상기와 다른 비율로 변형될 수도 있다.
대표적인 다른 실시 형태에 따르면, 상기 그리드 와이어는 스탬핑 또는 코이닝 가공되지 않을 수도 있으며, 이 경우 단면 형상은 도 8에 도시한 바와 같이 될 것이다(예를 들어, 변형되지 않은 사각형 단면).
노드들이 변형되지 않은 채로 남아 있는 것이 바람직한 경우가 있는 반면에, 어떤 환경에서는 스탬핑 공정에서 노드들을 변형 또는 코이닝 가공하는 것이 유리할 때도 있다. 그리드 와이어뿐만 아니라 노드들의 코이닝 가공은 그리드-스트립을 비-평면으로 만드는 경향이 있기 때문에, 판 한쪽 면의 페이스트 두께가 다른 면의 두께보다 두껍게 페이스트를 부착하는 경향이 있는 페이스트 공정은 이러한 영향으로부터 유리할 수 있다. 페이스트가 얇게 부착된 면으로 페이스트가 보다 쉽게 흐르도록, 그리드 스트립이 배향될 수 있다. 즉, 오목부가 페이스트가 얇게 부착된 부분, 일반적으로는 하부를 향하도록 페이스트 장치 내에 그리드 스트립이 장입될 수 있다.
예를 들어 배터리 페이스트의 부착 개선을 포함하는 많은 장점들을 제공하기 위해, 상기 그리드의 전체 또는 일부분이 금속 합금(일례로 납 합금)으로 코팅될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 그러한 코팅의 예들이, 본 명세서에 그 기재 전체가 참고문헌으로 통합되어 있는 미국 특허 제6,953,641호에 개시되어 있다.
그런 다음, 배터리 페이스트를 부착하도록 상호 연결된 그리드들이 처리되고, 스트립을 절단하여 복수의 배터리 판을 형성한다. 대안적으로, 페이스트 하기 전에, 상호 연결된 그리드들을 복수의 그리드들로 절단하여 추후 사용을 위해 보관할 수 있다. 익스팬디드 메탈 그리드 대신에 본 명세서에 개시되어 있는 것과 같은 그리드를 사용할 때의 장점 중 하나는, 익스팬디드 메탈 그리드는 (평면에서 떨어져 있는 꼬임 와이어들의 간섭에 의해) 고정 오리피스 페이스터로 페이스트될 수 없는 반면에, 스탬핑 가공으로 제작된 그리드는 그러한 제한을 받지 않는다는 것이다.
대표적인 일 실시 형태에 따르면, 음극 그리드(200)는 약 0.010 내지 0.050 인치 범위의 페이스트되지 않은 두께를 갖는다. 익스팬디드 메탈 공정으로 제조된 통상적인 음극 그리드의 스트립 두께는 대략 0.022 내지 0.035 인치 범위이고, 익스팬디드 메쉬 두께는 대략 0.030 내지 0.045 인치 범위이다. 얇은 음극 그리드를 사용하는 배터리에 제공되는 하나의 유리한 특징은, 각 음극 그리드가 차지하는 공간이 작아지기 때문에(예를 들어, 배터리에 그리드를 추가로 부가하거나 배터리를 보다 소형으로 제조할 수 있음), 그러한 그리드를 사용하는 배터리의 에너지 밀도가 높다는 것이다.
도 3을 참조하면, 도 3에는 대표적인 일 실시 형태에 따른, 개선된 음극 그리드(200)가 도시되어 있다. 그리드(200)는 상부 프레임 부재 또는 요소(210)(이로부터 신장되어 있는 집전 돌기(220)를 구비), 하부 프레임 부재 또는 요소(212), 제1 사이드 프레임 부재 또는 요소(214) 및 제2 사이드 프레임 부재 또는 요소(216)를 포함한다. 사이드 프레임 부재들(214, 216)은 상부 프레임 부재(210)와 하부 프레임 부재(212)의 반대 단부들에 연결되어서 대략적으로 사각형 모양의 폐쇄된 영역을 형성한다. 복수의 그리드 와이어들(230)은 노드들(232)에서 교차하는 다이아몬드 패턴으로 배치되어 있다.
도 3을 참조하면, 그리드 와이어들(230)은 복수의 교차점들(예를 들어, 그리드 와이어(230)가 상부 프레임 부재(210)와 교차하는 지점)에서 상부 프레임 부재(210)에 연결되어 있다. 이들 교차점들은 그리드 와이어(230)와 상부 프레임 부재(210) 사이의 도전성 계면을 보조하기 위해 피쳐(feature)(250)를 구비할 수 있 다. 도전성을 향상시키는 피쳐들은, 소재 측면에서 효율적인 방식으로(예를 들어, 가능하면 적은 양의 소재를 사용) 상부 프레임 부재(210)에 연결되는 그리드 와이어(230)를 상대적으로 얇게 하며, 그리드 와이어(230)와 상부 프레임 부재(210)가 강력하게 연결되도록 한다. 도 3에서 알 수 있듯이, 그리드 와이어들(230)들이 상부 프레임 부재(210)에 근접함에 따라, 그리드 와이어들은 점점 넓어진다. 그리드 와이어가 상부 프레임 부재(210)에 근접함에 따라 그리드 와이어들이 점점 확장되는 것 외에도, 교차점의 양쪽 측면에서 교차점들이 곡선으로 된다. 그 곡선 또는 반경부는 펀칭 공정에 의해서만 형성될 수 있으며, 익스팬디드 메탈 공정으로는 얻어질 수가 없다. 사이드 및 하부 프레임 부재들(212, 214, 216)은, 그리드 와이어(230)가 사이드 및 하부 프레임 부재들(212, 214, 216)에 연결되는 교차점에서 유사한 피쳐를 갖는다.
도 3을 참조하면, 사이드, 상부 및/또는 하부 프레임 부재들(210, 212, 214, 216)은, 배터리 내에서 그리드를 사용하는 중에 그리드 증대(growth)의 보상 및/또는 제어를 보조하는 하나 또는 그 이상의 피쳐들(260)(예를 들어, 절개부, 노치, 함몰부 등)을 포함할 수 있다(일례로 도 3에서는 사이드 프레임 부재들(214, 216) 내에 형성되어 있는 절개부들을 도시). 피쳐(260)는 국부적으로 취약한 영역을 제공하여서, 그리드(200) 사용 중에 그리드가 증대하는 경우, 피쳐(260)가 파손되어 그리드 증대를 제한 및/또는 조절하게 된다. 대표적인 다른 실시 형태에 따르면, 미국 특허 공개 공보 제11/984,666호(그 기재 전체가 본 명세서에 참고로 통합되어 있음)에 개시되어 있는 것과 같은, 그리드 증대를 제한 또는 제어하는 피쳐들이 본 명세서에 개시되어 있는 그리드에 통합될 수 있다.
도 3에 도시한 대표적인 실시 형태가 갖고 있는 유리한 특징의 하나는, 프레임 요소들(210, 212, 214, 216)이 그리드(200)의 바깥 둘레 전체를 둘러싸는 경계부 또는 프레임을 형성하기 때문에, 배터리 격리판을 천공하여 배터리 내부가 누전되게 할 수 있는 노출된 와이어 단부들이 없다는 것이다. 결국, 이는 배터리의 수명을 연장시키는 데에 기여한다(예를 들어, 누전 방지 등).
도 3에서는 대표적인 실시 형태에 따른 음극 그리드(200)를 설명하였지만, 이와 다른 구성도 가능하다는 점을 이해해야 한다. 도 9 내지 도 13은 대표적인 다른 실시 형태에 따른, 또 다른 가능한 구성들을 설명하고 있다(도 9 내지 도 13에서의 도면부호들은 도 3의 도면부호와 유사하다). 전술한 많은 특징들(예를 들어, 도전성을 향상시키기 위한 피쳐; 그리드 증대를 제어 및/또는 보상하기 위한 절개부 또는 노치; 와이어 단면을 변형시키는 스탬핑, 그리드의 전부 또는 일부분에의 납 합금과 같은 합금으로의 코팅 등) 도 9 내지 도 13에 도시한 실시 형태들에도 선택적으로 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 9 내지 도 11에는 그리드 와이어의 다이아몬드 패턴이 도 3에 도시된 패턴보다도 더 늘어져(elongated) 있는 그리드(300)가 도시되어 있다(예를 들어, 다이아몬드 패턴이 교차 와이어들 사이에서 실질적으로 사각형 개구를 형성하지 않는다). 이러한 늘어진 다이아몬드 패턴 유형은 익스팬디드 메탈 공정에 의해서는 제조될 수가 없다. 상부, 사이드 및/또는 하부 프레임 요소들 또는 부재들은 그리드 와이어들과 상기 프레임 부재들 간에 도전성 계면을 향상시키는 피쳐들 (예를 들어, 프레임 부재들과의 교차점들 근방으로 갈수록 그리드 와이어들이 점차 확장하는 것 등)을 포함할 수 있다(예를 들어, 그리드 와이어(330)와 상부 프레임 부재(310) 사이에 형성되어 있는 피쳐(350)를 도시하는 도 9 참조). 피쳐들(350)은 그리드 와이어들과 프레임 부재들 사이의 모든 교차점들에 형성되거나(예를 들어, 피쳐(350)를 도시하는 도 9 참조) 어느 일부의 교차점들에만 형성될 수 있다(예를 들어, 돌기(320)의 우측에 있는 교차점들의 우측에만, 또는 돌기(320)의 좌측에 있는 교차점들의 좌측에만). 또한, 사이드, 상부 및/또는 하부 프레임 요소들 또는 부재들은 그리드의 사용 중에 일어나는 그리드 증대를 제어 및/또는 보상하기 위한 피쳐들(예를 들어, 절개부, 증대 제한 장치 등)을 또한 포함할 수 있다(예를 들어, 사이드 프레임 요소들(314, 316) 내에 형성되어 있는 피쳐(360)를 도시하는 도 9 참조).
도 12는 와이어들 사이의 개구가 일반적인 육각-형상을 형성하도록 와이어들이 배치되어 있는 그리드(400)의 실시 형태를 도시하고 있다(예컨대 "하니컴" 구조가 얻어짐). 상부, 사이드 및/또는 하부 프레임 요소들 또는 부재들은 그리드 와이어들과 상기 프레임 부재들 간에 도전성 계면을 향상시키는 피쳐들(예를 들어, 프레임 부재들과의 교차점들 근방으로 갈수록 그리드 와이어들이 점차 확장하는 것 등)을 포함할 수 있다(예를 들어, 그리드 와이어(430)와 상부 프레임 부재(410) 사이에 형성되어 있는 피쳐(450)를 도시하는 도 12 참조). 피쳐들(450)은 그리드 와이어들과 프레임 부재들 사이의 모든 교차점들에 형성되거나 어느 일부 교차점들에만 형성될 수 있다. 또한, 사이드, 상부 및/또는 하부 프레임 요소들 또는 부재들 은 그리드의 사용 중에 일어나는 그리드 증대를 제어 및/또는 보상하기 위한 피쳐들(예를 들어, 절개부, 증대 제한 장치 등)을 또한 포함할 수 있다(예를 들어, 사이드 프레임 요소들(414, 416) 내에 형성되어 있는 피쳐(460)를 도시하는 도 12 참조). 도 12에 도시되어 있는 디자인이 갖는 하나의 유리한 특징은, 예를 들어 도 9에 도시한 디자인에서는 네 개의 와이어들이 만나서 하나의 노드(332)를 형성하는 것과는 달리, 세 개의 와이어들이 만나서 하나의 노드(432)를 형성한다는 것이다. 그러한 구성이 갖은 하나의 이점은 노드에 적은 양의 소재가 사용된다는 것이다.
도 13은 와이어들 사이의 개구가 일반적인 사각-형상을 형성하도록 와이어들이 배치되어 있는 그리드(500)의 실시 형태를 도시하고 있다. 수직방향 와이어는 상부 또는 상단 프레임 요소(510)와 하부 또는 하단 프레임 요소(512) 사이에서 연속적으로 연장되어 있고, 수평방향 와이어는 수평방향 와이어가 사이드 프레임 요소들(514, 516) 사이의 그리드를 좌측에서 우측으로 가로질러 연속적으로 연장하지 않는 방식으로, 인접 수평방향 와이어들 사이에서 연장되어 있다. 도 13에 도시된 실시 형태에 따르면, 완전한 사각형의 각 개구들의 크기는 실질적으로 동일하다(그리드 내의 위치에 따라서는 일부 사각형 개구의 크기는 다를 수 있음). 대표적인 다른 실시 형태에 따르면, 완전한 사각형 개구들의 크기는 서로 다를 수 있다. 상부, 사이드 및/또는 하부 프레임 요소들 또는 부재들은 그리드 와이어들과 상기 프레임 부재들 간에 도전성 계면을 향상시키는 피쳐들(예를 들어, 프레임 부재들과의 교차점들 근방으로 갈수록 그리드 와이어들이 점차 확장하는 것 등)을 포함할 수 있다(예를 들어, 그리드 와이어(530)와 상부 프레임 부재(510) 사이에 형성되어 있 는 피쳐(550)를 도시하는 도 13 참조). 피쳐들(550)은 그리드 와이어들(530)과 프레임 부재들 사이의 모든 교차점들에 형성되거나 어느 일부 교차점들에만 형성될 수 있다. 사이드, 상부 및/또는 하부 프레임 요소들 또는 부재들은 그리드의 사용 중에 일어나는 그리드 증대를 제어 및/또는 보상하기 위한 피쳐들(미도시)을 또한 포함할 수 있다.
대표적인 실시 형태에 따르면, 모두가 스탬핑 및/또는 코이닝 공정으로 제조된, 양극판 및 음극판 또는 양극 그리드 및 양극 그리드를 사용하여 배터리를 제조할 수 있다.
대표적인 실시 형태에 따르면, 전술한 대표적인 실시 형태 중 임의의 실시 형태에 따른 음극 그리드를, 표 1에 나타낸 성분을 함유하는 납 합금으로 제조할 수 있다.
원소 함량 범위
칼슘 0.05 ~ 0.50%
안티몬 0.001 ~ 2.5%
주석 0.01 ~ 2.0%
구리 0.001 ~ 0.1%
비소 0.001 ~ 0.25%
비스무트 0.01 ~ 0.05%
은 0.003 ~ 0.01%
납 잔부
실시 형태에 따른 음극 그리드를, 표 2에 나타낸 성분을 함유하는 납 합금으로 제조할 수 있다.
원소 함량 범위
칼슘 0.05 ~ 0.15%
안티몬 0.002% 미만
주석 0.5% 초과
구리 0.005% 미만
비소 0.002% 미만
비스무트 0.02% 미만
은 0.005% 미만
납 잔부
전술한 방식으로 음극 그리드를 제조하는 방법이 갖고 있는 하나의 유리한 특징은, 익스팬디드 메탈 공정에서 그리드를 제조할 때에 필요로 하는 소재보다도 적은 소재를 사용하여 그리드를 제조할 수 있다는 것이다. 그 결과, 전술한 것과 같은 그리드를 사용함으로써 무게 및 소재 비용을 절감할 수가 있다.
전술한 다양한 대표적인 실시 형태로 도시한 배터리 그리드 구조와 구성은 설명의 목적만을 위한 것임을 이해해야 한다. 본 명세서에서는 본 발명의 일부의 실시 형태들에 대해서는 개시하였지만, 본 명세서를 읽는 당업자라면 본 명세서에 개시된 발명의 요지의 신규한 교시 사항들과 장점들로부터 일탈하지 않으면서도 많은 변형이 가능하다는 점을 쉽게 이해할 것이다(예를 들어, 많은 구성요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터 값들, 장착 구조, 사용 소재, 색상, 방향 등의 변형). 따라서, 그러한 모든 변형들은 첨부된 청구항에 정의되어 있는 본 발명의 범위 내에 포함된다. 모든 공정 또는 방법의 스텝들의 순서는 대안적인 실시 형태에 따라 변경 또는 재-배열될 수 있다. 본 발명의 범위를 일탈하지 않으면서, 다양한 대표적인 실시 형태의 디자인, 작동 조건 및 구성에 있어서, 또 다른 치환, 변형, 변경 및 생략이 이루어질 수 있다.

Claims (18)

  1. 배터리용 음극 그리드 제조 방법으로서,
    배터리 그리드 소재의 스트립을 제공하는 단계와;
    소재를 제거하여 그리드를 형성하기 위해 상기 배터리 그리드 소재를 펀칭 가공하는 단계를 포함하고,
    상기 펀칭 가공은, 상부 프레임 부재와, 상기 상부 프레임 부재의 제1 단부에서 상부 프레임 부재에 연결되어 있는 제1 사이드 프레임 부재와, 상기 상부 프레임 부재의 제2 단부에서 상부 프레임 부재에 연결되어 있는 제2 사이드 프레임 부재와, 상기 상부 프레임 부재와 이격되어 상기 제1 사이드 프레임 부재 및 제2 사이드 프레임 부재에 연결되어 있는 하부 프레임 부재를 포함하는 프레임에 의해 둘러싸여 있는 복수의 그리드 와이어를 구비하는 음극 배터리 그리드를 제조하며,
    상기 음극 배터리 그리드는 그 음극 그리드가 폴리머 격리판 내에 제공될 때에 폴리머 격리판을 천공할 수 있는 노출된 와이어 단부를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펀칭 가공은 연속 펀칭 가공인 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 음극 배터리 그리드의 소재가, 연속 주조된 납 합금 스트립의 두께와 결정립 조직 중 적어도 하나를 개조하기 위해 가공 처리된 연속 주조된 납 합금 스트립인 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 배터리 그리드의 두께가 약 0.010 내지 0.050 인치 범위에 속하는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 연속 주조된 납 합금 스트립에서 그리드 소재를 펀칭 가공하여 일련의 상호 연결된 배터리 그리드를 제조하는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 와이어들이 다이아몬드 형상, 하니컴 형상 및 사각 형상으로 이루어진 그룹으로 선택된 하나의 패턴으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 복수의 와이어들이 대략 직각으로 서로 교차하는 다이아몬드 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 복수의 와이어들이 서로 직각으로 교차하지 않는 늘어진 다이아몬드 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상부 프레임 요소, 제1 사이드 프레임 요소, 제2 사이드 프레임 요소 및 하부 프레임 요소들 중에서 적어도 하나가, 그리드를 사용하는 중에 일어나는 그리드 증대를 보상하기 위한 피쳐를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 복수의 그리드 와이어들이 복수의 노드에서 서로 교차하고, 복수의 와이어들이 복수의 교차점들에서 상부 프레임 부재에 연결되되, 상기 교차점들은 상기 상부 프레임 부재와 복수의 그리드 와이어들 사이에서 전기 전도성을 향상시키기 위해 상부 프레임 부재와 복수의 그리드 와이어들 사이에 반경부를 구비하며, 그리드 와이어들이 상부 프레임 부재와의 교차점에 근접함에 따라 그리드 와이어들의 폭이 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 복수의 그리드 와이어들의 단면이 팔각 형상, 다이아몬드 형상, 장사방 형상, 육각 형상 및 계란 형상으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나의 형상이 되도록, 복수의 그리드 와이어들이 코이닝 가공되는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 그리드 와이어의 대향 단부들에서 노드들 간의 그리드 와이어의 길이부를 따라 길이의 약 90%가 변형되는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음 극 그리드 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 배터리 그리드의 노드들이 코이닝 가공되는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서, 배터리 그리드가 납 합금으로 코팅된 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서, 배터리 그리드를 활물질로 코팅하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서, 배터리 그리드 소재가 납-칼슘-주석 합금인 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 배터리 그리드 소재가 칼슘: 0.05 내지 0.50%, 안티몬: 0.001 내지 2.5%, 주석: 0.01 내지 2.0%, 구리: 0.001 내지 0.1%, 비소: 0.001 내지 0.25%, 비스무트: 0.01 내지 0.05%, 은: 0.003 내지 0.01% 및 잔부는 납으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 배터리 그리드 소재가 칼슘: 0.05 내지 0.15%, 안티몬: 0.002% 미만, 주석: 0.5% 초과, 구리: 0.005% 미만, 비소: 0.002% 미만, 비스무트: 0.02% 미만, 은: 0.005% 미만 및 잔부는 납으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 배터리용 음극 그리드 제조 방법.
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