NO801492L - Gitter for akkumulatorbatteri. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår gitter for akkumulator-batterier, og mer bestemt laminatgitter av bly eller blylegering, som kan fremstilles ved støping.

Som kjent kan der fremstilles blybatterier hvor hver elektrode består av én eller flere plater, idet hver plate består av et laminatgitter omgitt av aktivt materiale. Ved å smøre det aktuelle aktive materialet på gitrene, kan både de positive og negative elektroder fremstilles som stabler av slike laminatplater. Innen hver plate virker gitteret som et underlag for det aktive materialet og samtidig som en leder for elektrisitet til og fra det aktive materiale. Gitteret har en metallisk struktur fremstilt av bly eller en blylegering som inneholder små mengder av slike materialer som kalsium, antimon, eller tinn. De mange faktorer som innvirker på konstruksjonen av et batterigitter innebærer motstridende krav slik at konstruksjonen uten unntak representerer kompromisser som tar sikte på å oppnå en optimal kombinasjon av egenskaper. Noen faktorer som har vesentlig innvirkning på konstruksjonen er som følger:

a) minimalisere gittervekten,

b) minimalisere gitterets indre motstand,

c) sikre enkel fremstilling av gitteret,

d) sikre evnen til å bære den ønskede mengde aktivt materiale, og e) anordne avlukker med passende dimensjoner for å sikre den ønskede størrelse på "kjeksene" av aktivt materiale som de skal romme.

Et laminatgitter omfatter i hovedsaken en rektangulær ramme som i et av hjørnene eller nær et hjørne har en tapp som utgjør platens strømførende forbindelse, samt et antall tråder anordnet ortogonalt som "vertikaltråder" eller "horisontaltråder" for oppdeling av rommet i rammen i avgrensede, rektangu-lære lommer. (Betegnelsene .vertikal og horisontal er her brukt med henblikk på trådenes orientering når gitteret er montert i et batteri, dvs. med tappen øverst). Ettersom trådene nær tappen fører høyere strømstyrker har man gjort forsøk på å forbedre slike gitteres motstandskarakteristika ved bruk av avsmalnende tråder, øket antall vertikaltråder og bruk av en-kelte diagonaltråder. Et slikt gitter er beskrevet i US patentskrift 3 989 539.

En annen løsning går ut på å forbedre gitrenes effekti-vitet, og ved en gitterkonstruksjon som blir stadig mer popu-lær innen faget er trådmønsteret i rammen ikke ortogonalt.

US patentskrift 3 453 145 omhandler gittere hvor et første trådsett er anordnet langs radielle linjer som springer ut fra området ved tappen, mens det andre linjesett ligger langs buer med sentrum nær tappen. En variant av denne "radielle" utforming er vist i US patentskrift 3 690 950 hvor en lett-vektskonstruksjon er oppnådd ved bruk av en ramme og kryss-tråder laget av plast, sammen med et sett metallstrenger som utstråler fra en tappstilling til to sider av rammen. Sist-nevnte gittertype krever mer kompliserte fremstillingsmetpder enn et gitter som bare består av metall og således kan støpes.

Det finnes også et kommersielt fremstilt batteri som be-■ står av et metallgitter med en tapp i det ene hjørne, et sett horisontale tråder og et sett divergerende tråder som forbinder rammens tappbærende topparti med bunnkanten eller sidekan-ten motsatt tappen. En slik konstruksjon er skjematisk vist

i figur 1 på tegningen.

Av forskjellige grunner er det fordelaktig å anordne gittertappen i vesentlig avstand fra gitterhjørnet. Én av grunnene er bedre ytelse, med henblikk på effektuttak ved høyt strømforbruk pr. tidsenhet. En slik ytelse er særlig viktig ved bilbatterier hvor det er behov for høy effekt ved kald-start. Sideforskyvningen av tappen er også kunstig med henblikk på den generelle konstruksjon og metoden som benyttes for konstruksjon av batterier ved anvendelse av gitteret. Som kjent innebærer oppbyggingen av et batteri sammenstabling av flere gittere, festing av en stropp til gittertappene og der-etter plassering av stablene i batterikassen med skillevegger mellom stablene. Det må så lagres forbindelser mellom stropp-par som er adskilt ved en skillevegg. Når det gjelder gitter med tapper anordnet ved hjørnet, ligger stroppene som skal forbindes nær batterikassen. Av fremstillingsgrunner har det vanligvis vært nødvendig å benytte forbindelsesledninger som er forskjøvet i forhold til stroppene slik at de ligger i tilstrekkelig avstand fra kassen. I tilfeller hvor tappene er forskjøvet i forhold til gitterhjørnet ligger stroppene som skal forbindes i batteriet i tilstrekkelig avstand fra kassen til å tillate en rettlinjet forbindelse gjennom deleveggen, hvilket ikke bare sparer kostnader og vekt, men også reduse-rer den indre motstand til et minimum.

Dersom man forsøker å støpe gitter av den på figur 1 viste konstruksjon, men med tapper forskjøvet i forhold til gitterhjørnet, vil man få problemer med blystrømmen som gir opphav til porøsitet i rammens tapparti. Dette skyldes at en forholdsvis stor blymengde må strømme fra fyllekanten til tappartiet. Gitter støpes så godt som alltid i par, idet på-fyllingskanten er den sidekant som ligger nærmest tappen, dvs. venstre kant sett i figur 1. Resultatet kan bli et uaksepta-belt høyt antall vrakstøpinger.

Oppfinnelsen tar sikte på å tilveiebringe gitter hvor tappen er forskjøvet fra hjørnet, og hvor gitterkonstruksjo-nen er slik at det blir mulig å støpe gitrene uten feil.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe gitter som har bedre ytelseskarakteristikker enn hittil til-gjengelige gitter.

Disse formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved et akkumula-torbatterigitter som enkelt kan støpes i bly eller i en blylegering og som omfatter: I) en stort sett rektangulær ramme som består av motstående første og andre kantdeler som utgjør henholdsvis øvre og nedre kanter på gitteret når dette brukes i et batteri, samt motstående tredje og fjerde kantdeler som utgjør gitterets sidekanter ved bruk i et batteri;

II) en tapp som er utformet i ett med den første del på

et sted mellom den første kantdels midtpunkt og den første og tredje kantdels felles hjørne;

III) et første antall tråder som er innbyrdes parallelle og forbinder en av de tredje og fjerde kantdeler med den andre av de tredje og fjerde kantdeler eller med en av de første og andre kantdeler;

IV) et annet antall tråder som danner en rekke armer som er forbundet med den første kantdel og divergerer fra hverandre slik at den første kantdel er forbundet med hver av de andre tredje og fjerde kantdeler ved hjelp av minst én av armene.

Rammen og trådene er alle støpt i ett stykke i én enkelt operasjon. Selv om rent bly kan brukes vil smeiten som anven- des vanligvis omfatte en legering basert på bly, f.eks. en legering inneholdende en liten mengde kalsium, antimon eller tinn som anvendt ved fremstilling av såkalt vedlikeholdsfri batterier.

I samsvar med en utføringsform av oppfinnelsen opptar rammen et sett radialarmer og et sett horisontale (dvs. parallelle med den tappbærende rammekant) tråder. I en foretrukket utføringsform av oppfinnelsen er ingen av de to trådsett parallelle med rammekantene, idet det første trådsett er parallelle med hverandre, men anordnet i en vinkel på mellom 10° og 45°, f.eks. 15°, i forhold til retningen av den tappbærende rammekant.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor: Figur 1 viser en gitterkonstruksjon av kjent type som ikke er i samsvar med oppfinnelsen, som er tatt med for sam-menlikningens skyld. Figur 2 viser en gitterkonstruksjon i samsvar med et as-pekt ved foreliggende oppfinnelse, og Figur 3 viser en annen utføringsform av foreliggende oppfinnelse . Figur 1 viser skjematisk en gitterkonstruksjon som brukes i et blybatteri på markedet. Angjeldende gitter består av en ramme 10 som er vist orientert i samme stilling som når det brukes i batteriet. Rammens toppkant bærer en tapp 11 ved hjørnet nær den øvre venstre kant, mens rammens bunnkant bærer fotknaster 12. Rammen er gjennomkrysset av et nettverk av tråder bestående av et sett horisontalelementer 13 og et sett radialelementer 14 og 15. Horisontaltrådene forbinder side-kantene med hverandre, mens radialtrådene 14 og 15 forbinder toppkanten med henholdsvis bunnkanten og høyre sidekant.

Ovennevnte kjente konstruksjon kan sammenliknes med ut-føringsf ormen av oppfinnelsen vist i figur 2. I dette tilfellet bærer rammen 20 en tapp 21 som er forskjøvet fra rammens venstre sidekant. Rammens bunnkant er forsynt med fotknaster 22 på kjent måte. Trådnettverket i rammen består av horisontalelementer 23 og radialelementer 24, 25 og 26. Et større antall radialelementer er benyttet i gitteret ifølge figur 2 enn i gitteret ifølge figur 1. Radialelementene i gitteret ifølge oppfinnelsen innbefatter et antall armer 24 som innbyrdes forbinder toppkanten og høyre sidekant. Et annet antall armer 25 forbinder innbyrdes topp- og bunnkan-tene, mens et tredje antall armer 26 forbinder toppkanten med rammens venstre sidekant.

Tilstedeværelsen av minst én arm såsom 26 som forbinder rammens venstre sidekant med dens toppkant er nødvendig for å muliggjøre enkel støping av et gitter såsom vist på figur 2. Radialarmene 26 ender i punkter nær og til venstre for tappen 21, slik at de danner direkte baner for strømmen av bly til knastpartiet ved rammens toppkant fra venstre sidekant, hvilken kant benyttes som "fyllekant" ved støping av gitteret. Selv om støpernetallet også kan strømme via trådene 23 er dette ikke bare en mindre direkte bane men også en mer innsnevret bane ettersom trådene 23 har mindre tverrsnittsareal enn radialarmene 26.

Gitter av den konstruksjon som er vist i figur 2 ble støpt i en blylegering inneholdende 0,1 vektprosent Ca og 0,5 vektprosent Sn. De fremstilte gitter hadde 21 radialarmer og enten 22 eller 26 horisontaltråder. Horisontaltrådene hadde generelt et ensartet, sekskantet tverrsnitt på 0,47 mm 2. De var jevnt fordelt mellom rammens tappbærende kant og knastbærende kant.' Radialarmene, som også hadde tilnærmet sekskantet tverrsnitt, hadde forskjellig tykkelse, og generelt hadde en gitt arm ikke ensartet tykkelse over lengden. De fleste armene avsmalnet fra tappkanten i det minste utover fra armenes midtpunkt. Ved sine tynneste punkter hadde armene samme tverrsnittsareal som horisontaltrådene, mens tverrsnittsarealet ved armenes tykkeste punkter var fra 20 til 60 % større enn tykkelsen til en horisontaltråd.

Rammen til disse gitter målte ca. 14,5 x 12,4 cm eksklusiv tappen og fotknastene. Sidekantdelene hadde tilnærmet femkan-tet tverrsnitt, den høyre sidekantdel hadde ensartet tverrsnittsareal på 2,5 mm 2, mens fyllekanten gradvis avtok i tyk-keise fra et tverrsnittsareal på 2,9 mm 2 ved toppen til et tverrsnittsareal på 2,5 mm 2 ved punktet tilgrensende fotkantdelen. Fotkantdelen hadde ensartet stort sett sekskantet tverrsnitt med et areal pa 2,5 mm 2. • Tappkantdelen var tykkere enn de andre tre rammedeler. Dens tverrsnitt var stort sett sekskantet, og tilnærmet ensartet fra punktet lengst til venstre til et punkt 6,5 cm i avstand fra punktet og avsmalnet der- etter til punktet ved høyre sidekantdel. Tverrsnittsarealet var 4,8 mm<2>over det ensartede parti ved tappen, og avsmalnet

2

til 2,7 mm ved rammens høyre hjørne.

En fant at gitrene med ovennevnte dimensjoner lett kunne støpes uten porøsitetsproblemer i tappartiet. Konstruksjonen ble funnet å gi tilstrekkelig stivhet til gitrene uten at de derfor ble utilbørlig tunge (typisk vekt ca. 58 gram). For vurdering av gitterytelsen ble den effektive motstand bestemt både teoretisk og eksperimentalt. Den teoretiske beregning ble utført ved hjelp av en datamaskin-simulering. Eksperi-mentene innebar simulering av celletilstander ved å sende en strøm fra gittertappen til en elektrolytt og bestemme spen-ningen ved forskjellige punkter på gitteret og bestemme den maksimale spenningsforskjell mellom tappen og et punkt på

•gitteret. Antar man at tappen føreren strømstyrke på A

apmere, og at et maksimalt spenningsfall på mV millivolt blir målt, betegner forholdet mV/A dette gitterets effektive motstand. Det vil lett forståes at jo lavere effektiv motstand man har jo bedre blir gitterytelsen.

I tillegg til å utprøve ytelsen til gitteret ifølge oppfinnelsen ble også kjente gittere av samme størrelse utprøvet for sammenlikning. Et gitter av kjent type som oppviste et ortogonalt mønster av 12 vertikale og 22 horisontale tråder ble funnet å ha en effektiv motstand på 2,27 mV/A. Et gitter av den type som er vist i figur 1 ble funnet å ha en effektiv motstand på 1,64 mV/A. Gitteret ifølge oppfinnelsen og med den på figur 2 viste utforming ble funnet å ha en effektiv motstand på 1,03 mV/A eller mindre, hvilket innebærer en meget markert forbedring i ytelse i forhold til kjente gitterkonstruk-sjoner. Forbedringen er det kombinerte resultat av omhyggelig valg av størrelser og stillinger på radialtrådene eller -armene som muliggjøres ved at tappen kan utnformes i avstand fra ramme-hjørnet i samsvar med oppfinnelsen.

Gitteret vist i figur 3 utgjør en foretrukket utførings-form av oppfinnelsen, som i de fleste henseender er lik gitteret ifølge figur 2. I dette tilfellet inneholder rammen 30 radialarmer 31 anordnet på samme måte som radialarmene i figur 2. Det andre sett tråder 32 er ikke horisontale, selv om de forløpet innbyrdes parallelle og med lik innbyrdes avstand, dvs. de er ikke parallelle med rammens topp- og bunnkanter. Trådene 32 ligger således parallelt med en linje A-A som danner en vinkel på 10 til 45°, typisk 15°, med linjen B-B langs de horisontale rammekanter.

Arrangementet ifølge figur 3 innebærer en rekke markerte fortrinn i forhold til den som er vist i figur 2. For det første gir den bedre støpbarhet ved at støpematerialet let-tere kan strømme gjennom trådene 32. Dette skyldes at under støpingen er kanten vist til venstre på figuren horisontalt anordnet som fyllekanten og bly må strømme under påvirkning av tyngdekraften gjennom de tynne hulrom som representerer tradene 32. Der trådene er parallelle med tappkantdelen vil trådhulrommene være vertikale under hellingen og av denne grunn må luft som unnslipper fra disse hulrom gjøre dette via avluftingskanaler utformet i formoverflaten. Med skråttlø-pende tråder som vist i figur 3 kan imidlertid luften strømme ut av hulrommene langs samme bane som det innstrømmende bly.

En annen fordel med denne konstruksjon ligger i forbedret mekanisk styrke hvilket skyldes den omstendighet at krysstråd-nettverket avsluttes ved rammekanten i en rekke trekanter istedenfor firkanter. Endelig er konstruksjonen gunstig for gitterytelsen, dvs. den er istand til å oppvise lavere effektiv motstand. En grunn tri den forbedrede ytelse er det større antall tråder direkte forbundet med den tappbærende rammedel.

Claims (8)

1. Akkumulatorbatteri-gitter som kan fremstilles ved stø-ping av bly eller en blylegering i en passende form, karakterisert ved at den omfatter: I) en stort sett rektangulær ramme som består av motstående første og andre kantdeler som utgjør henholdsvis øvre og nedre kanter på gitteret når dette brukes i et batteri, samt motstående tredje og fjerde kantdeler som utgjør gitterets sidekanter ved bruk i et batteri; II) en tapp som er utformet i ett med den første del på et sted mellom den første kantdels midtpunkt og den første og tredje kantdels felles hjørne; III) et første antall tråder som er innbyrdes parallelle og forbinder en av de tredje og fjerde kantdeler med den andre av de tredje og fjerde kantdeler eller med en av de første og andre kantdeler; IV) et annet antall tråder som danner en rekke armer som er forbundet med den første kantdel og divergerer fra hverandre slik at den første kantdel er forbundet med hver av de andre tredje og fjerde kantdeler ved hjelp av minst én av armene.

2. Gitter ifølge krav 1, karakterisert ved at rekken av armer innbefatter minst to armer som forbinder den tredje kantdel med den første kantdel og som avsluttes ved den første kantdel ved punkter mellom tappstedet og det felles hjørne.

3. Gitter ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den første kantdel har uensartet tverrsnitt, med et større tverrsnittsareal nær tappen enn ved dens ende i avstand fra tappen.

4. Gitter ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den tredje kantdel har uensartet tverrsnitt, med et større tverrsnittsareal nær det felles hjørne enn ved dens ende i avstand fra det felles hjørne.

5. Gitter ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at armrekken innbefatter armer med forskjellig tverrsnittsareal, og at i det minste noen av armene har uensartet tverrsnitt, med større tverrsnittsareal nær den første kantdel enn ved dens ender i avstand fra den første kantdel.

6. Gitter ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det første antall tråder omfatter tråder av vesentlig ensartet tverrsnitt anordnet med vesentlig lik innbyrdes avstand.

7. Gitter ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det første antall tråder er anordnet stort sett parallelt med den første og andre kantdel.

8. Gitter ifølge et av kravene 1 til 7, karakterisert ved at det første antall tråder er anordnet i ■ en vinkel på mellom 10 og 45° med den første og andre kantdel.