專利名稱：多孔基底及其制造方法
本申請是美國專利申請No.08/572,184的分案申請。
本發(fā)明一般地涉及一種多孔基底，更具體地說涉及一種設(shè)有大量穿孔的平面狀導(dǎo)電基底。這種基底例如用作電化學(xué)電池的電流集電體。
從一片導(dǎo)電材料形成多孔基底是公知的，其中孔僅從一面沖壓或者引入材料中。Eberle的美國專利No.4,345,452描述了一種用于把鉛合金基底材料形成電池柵格的穿孔裝置。穿孔裝置包括要穿孔的基底材料的支承件和用于通過一面對基底穿孔、位于支承材料之上的偏壓穿孔件。問題是在每個穿孔處在相對面上所形成的合成毛刺引入應(yīng)力到基底，導(dǎo)致基底彎曲。傳統(tǒng)上，通過壓平毛刺來除去穿孔基底的彎曲。然而，當基底的寬度變得更大，補償彎曲的困難加大。
在電池制造期間，極為重要的是基底電流集電體應(yīng)盡可能成平面狀，使電極活性材料能高速層疊在基底上。然而，充分壓平毛刺以提供可接受的平面狀基底常常是困難的，而且消除多孔基底的彎曲的壓平補償增加了制造過程的不必要步驟。因此，需要一種導(dǎo)電材料的多孔基底，它能符合商業(yè)使用，如電池的商業(yè)生產(chǎn)中的平面度的規(guī)格。
本發(fā)明提供一種多孔基底和制造方法，其中，基底的共面第一和第二主表面的每一個具有相似結(jié)構(gòu)的延伸到另一表面的穿孔，穿孔沿任一表面的任何方向在從一個表面到另一個表面的緊相鄰穿孔之間以交替排列。通過以此方式均勻交替穿孔，在每個穿孔處產(chǎn)生的應(yīng)力被通過相對主表面或基底形成的相鄰穿孔基本抵消，而且基底保持平面形狀。通過復(fù)式穿孔技術(shù)完成上述方法，其中一半穿孔從基底的一面形成，而另一半穿孔從相對面形成。
這種穿孔基底用作例如電化學(xué)電池中的電極的電流集電體，此穿孔基底的平面性能很適合用在商業(yè)電池制造。
結(jié)合下面的說明和附圖，本發(fā)明的這些和其它方面對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更為明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的多孔基底的局部平面圖；圖2是沿圖1的線2-2的橫截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明在上升沖程位置具有穿孔件，用于形成多孔基底的復(fù)雜穿孔裝置的局部橫截面圖；圖4是圖3所示的復(fù)式穿孔裝置的局部橫截面圖，但是在下降沖程位置具有穿孔件。
現(xiàn)在參見附圖，圖1和2表示最好是導(dǎo)電材料的多孔基底10，并使用圖3和4所示的本發(fā)明的復(fù)式?jīng)_孔裝置12形成。復(fù)式穿孔裝置12包括彼此間隔開的第一板14和第二板16。雖在附圖中未示出。但可以理解多孔基底10開始成一卷未穿孔或無孔的片材20(圖3和4)并且當未卷繞時成大致平面狀，具有位于相互平行的第一和第二主表面22和24?；撞牧?0片，例如低碳鋼基底，通過位于靠近各個板的末端的兩偏心輥28，30的拉力沿在板14，16之間形成的中間空間26行進。片材20的其它合適材料包括銅、鋁、鐵、鎳、鋅、鈦、不銹鋼、以及其合金。
多個第一穿孔件32以可滑動關(guān)系安裝在第一板14的圓柱開孔34內(nèi)。第一穿孔件32連接偏心固定在旋轉(zhuǎn)凸輪驅(qū)動軸38上的第一凸輪件36。凸輪驅(qū)動軸38的一次完全轉(zhuǎn)動使凸輪件36往復(fù)運動，通過一次完全穿孔循環(huán)，使在開孔34內(nèi)的第一穿孔件32在上升沖程位置(圖3)和下降沖程位置(圖4)之間移動，然后回到上升沖程位置。在下降沖程位置，凸輪軸38的轉(zhuǎn)動使凸輪件36推動第一穿孔件32穿過第一板14內(nèi)的開孔34到未穿孔的基底20，直到它們刺穿在第二板16的相對面上支承的片材。在第二板16內(nèi)設(shè)置有與第一穿孔開口32配準的斜槽40，斜槽40作為通道，由穿孔件從基底切下的塊42(圖4)通過此通道傳到收集位置(未示出)。
以類似方式，第二板16具有多個圓柱開口44，可滑動的第二穿孔件46與開口44相配合。正如第一板14的第一穿孔件32的情況，第二穿孔件46連接偏心固定在第二旋轉(zhuǎn)凸輪驅(qū)動軸50上的第二凸輪件48。驅(qū)動軸50的一次完全旋轉(zhuǎn)使凸輪件48往復(fù)運動，完成一次完全穿孔循環(huán)，從而使開口44內(nèi)的第二穿孔件46在上升沖程位置(圖3)和下降沖程位置(圖4)之間移動，然后回到上升沖程位置。在下降沖程位置，凸輪驅(qū)動軸50的旋轉(zhuǎn)使凸輪件48推動第二穿孔件46穿過44，從而刺穿支承在第一板14的相對面的片材20。斜槽52設(shè)置在第一板14內(nèi)，與第二穿孔開口44配準，以排除由第二穿孔件從片材20切下的塊54到收集位置(未示出)。在這點上，本發(fā)明的復(fù)式穿孔裝置12最好設(shè)置成第一和第二板14，16的排列方向使吸引力能夠通過斜槽40，52移動塊42，54。因此，板14，16最好設(shè)置成并排排列，而非一個在另一個上面。
本發(fā)明的一個方向是第一和第二穿孔循環(huán)都優(yōu)先同步起動，以便在穿孔循環(huán)的下降沖程階段期間穿孔件32，46基本上同時刺穿此片基底材料20。按照本發(fā)明的范圍也可預(yù)料第一和第二穿孔循環(huán)順序起動刺穿此片基底材料20。在本發(fā)明的后一方面，術(shù)語順序意味著穿孔件32或46的任何一個刺穿基底材料，接著由另一穿孔件刺穿，在各自穿孔間隙其間具有可識別的時間間隔。時間間隔的范圍能從幾分之一秒到可能刺穿基底每側(cè)的單獨生產(chǎn)過程。無論穿孔件32，46基本同時或順序地啟動來刺穿基底材料20，由此的復(fù)式穿孔技術(shù)在每個由此形成的穿孔處引入相等且相對的應(yīng)力，它們基本相互抵消，從而對穿孔的基底10保持希望的平面特性。
更具體地，現(xiàn)在將詳細說明第一穿孔件32和它們的支承板14的每個的結(jié)構(gòu)，記住第二穿孔件46和第二板16有類似結(jié)構(gòu)。每個第一穿孔件32有放大部分56，主體部分58和切割部分60。放大部分56的尺寸大小以可滑動且小間距關(guān)系安裝在開口34的大腔部分62的范圍內(nèi)，大腔部分62延伸到形成臺階部分66的凸緣64。臺階部分66開口到板14，16之間的中間空間26，它的橫截面尺寸小于放大部分66并且其尺寸大小以小間距關(guān)系接收穿孔件32的主體部分58。凸緣64形成偏置彈簧68的支座，彈簧68被穿孔件的放大部分56俘獲在穿孔件32的主體部分58的周圍。每個偏置彈簧68連續(xù)地使它的關(guān)聯(lián)穿孔件離開板14，16之間的中間空間26。穿孔檔塊70固定在板14的外表面上，以部分封閉開口34的大腔部分62，以便防止第一穿孔件32由于彈簧68的力偏壓到它們的開口34以外。穿孔檔塊70最好是可移動的，以便穿孔件損壞時供替換穿孔件32之用。
類似地，第二穿孔件46包括放大部分72，主體部分74和切割部分76。放大部分72以小間距關(guān)系可滑動地安裝在開口44的大腔部分78的范圍內(nèi)，大腔部分78延伸到形成臺階部分82的凸緣80，臺階部分82依次開口到板14，16之間的中間空間26。臺階部分80的尺寸大小以小間隔關(guān)系接收穿孔件46的主體部分74，而臺緣80形成用于偏壓彈簧84的支座，彈簧84被穿孔件的放大部分72俘獲在主體部分74的周圍。彈簧84持續(xù)偏壓它們的關(guān)聯(lián)穿孔件46離開中間空間26，同時，可移動的穿孔檔塊86部分地封閉開口44的大腔部分78，以防止第二穿孔件46被彈簧偏壓到它們的開口44以外。
圖3表示在上升沖程位置的極點由各自的第一和第二板14，16支承的穿孔件32和46，其中，它們沒穿透未穿孔的片材20。在這種位置下，凸輪件36，48以軸和穿孔件之間最短距離偏心固定在凸輪驅(qū)動軸38，50上。當偏心凸輪36，48在軸38，50上旋轉(zhuǎn)時，穿孔件36，46壓到彈簧68，84的偏壓力上，穿透未穿孔的片材20，形成穿孔的基底10(圖1，2和4)。當軸38，50繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，從凸輪36、48到軸38、50的距離減小，并且偏壓彈簧68，84的上升力使穿孔件32，46按照凸輪件36，48的軌跡離開中間空間26。
正如前面所討論的，本發(fā)明的重要方面在于通過位于片材20的兩面上的穿孔件32，46對片材20的復(fù)式穿孔。當完成一次穿孔循環(huán)時，無論穿孔是基本同時還是順序的，當驅(qū)動軸38，50旋轉(zhuǎn)使凸輪件36，48位于相對于軸的最短距離的上升沖程位置時，穿孔件32，46從已穿孔的基底10退回。然后在下一次穿孔過程之前基底材料的片帶通過偏心輥28，30的作用向前轉(zhuǎn)換位置。
在片材的復(fù)式穿孔期間，無論穿孔是基本同時還是順序的，極為重要的是精確控制穿孔件的往復(fù)運動，以便在穿過未穿孔基底20的相對主表面22，24的相鄰穿孔之間總能保持相似距離。因此，分別以方框88，90表示的平衡器和分別以方框92，94表示的減震器最好設(shè)置在每個凸輪驅(qū)動軸38，50上，以保證在穿孔過程的整個循環(huán)中完全的平衡移動。而且，極為重要的是通過偏心輥28，30精確控制基底材料片的轉(zhuǎn)位移動。當在開口34，44內(nèi)穿孔件32，46兩個都向上偏壓時(圖3)，輥28，30在穿孔循環(huán)的上升沖程階段期間移動片材。因此，在凸輪36，48的作用下穿孔件開始下降沖程運動時，偏心輥28，30旋轉(zhuǎn)脫離接觸穿孔基底12，從而在穿孔循環(huán)的下降沖程階段期間(圖4)使基底保持靜止。
以那種方式，同步裝置，在圖3和4中表示成方框96，根據(jù)固定在輥驅(qū)動軸98和100上的偏心輥28，30的旋轉(zhuǎn)移動來控制凸輪驅(qū)動軸38，50的旋轉(zhuǎn)運動。輥28，30通過旋轉(zhuǎn)預(yù)定弧度使基底沿板14，16之間的中間空間26在向前的方向上移動，這樣，一旦開始順序穿孔循環(huán)，基底片僅前進必要的距離以保證未穿孔部分對準穿孔件32，46并且導(dǎo)向穿孔件與從動孔間隔一段距離，該距離精確等于通過基底相對主表面穿透的交替穿孔之間的距離。
當基底材料片不再接觸偏心輥28，30時，同步裝置96使凸輪驅(qū)動軸38，50旋轉(zhuǎn)凸輪36，48，迫使相對的穿孔件32，46克服彈簧68，84的偏壓力進入穿孔循環(huán)的下降沖程階段。這導(dǎo)致穿孔件刺穿此片未穿孔材料20的兩個主表面。在凸輪驅(qū)動軸38，50的旋轉(zhuǎn)期間，偏壓彈簧68，84持續(xù)迫使穿孔件38，46離開基底并逆著凸輪件的行程。在輥驅(qū)動軸98，100上的平衡器102，104和凸輪驅(qū)動軸38，50上的平衡器88，90保持這些軸的旋轉(zhuǎn)運動在無震動狀態(tài)，而同步裝置96保證分段復(fù)式穿孔和片狀基底20的送進，從而提供了均勻穿孔的平面狀產(chǎn)品。
因此，以已加工的穿孔形式，穿孔基底10有大量穿孔或孔(圖1和2)，每個孔基本成圓形，而這樣定型當沿任一主表面的任何方向觀察時，每隔一個穿孔106從交替的第一和第二主表面22和24穿透基底的厚度。穿孔106直徑最好在約0.5mm到約3.0mm之間，并且以孔率約25％到約75％的基底材料的表面積設(shè)置。
正如圖2所示，如此的穿孔基底10在每個穿孔處具有呈毛刺108形式的周圍應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力區(qū)域離開主表面平面向外伸出，該主表面與穿孔件引入形成穿孔的主表面相對。每個毛刺在緊靠穿孔處產(chǎn)生應(yīng)力，趨于使此片基底材料從原來的平面狀發(fā)生變形。然而，通過從基底的相對面形成交替穿孔，使由此形成的毛刺交替地伸出相對的主表面。因為穿孔具有類似形狀，交替的毛刺結(jié)構(gòu)在整個基底的穿孔擴展期間產(chǎn)生相等且相反的應(yīng)力。為提供適當?shù)拇┛谆?，非圓形的穿孔形狀對本復(fù)式穿孔裝置12也是有用的。
以此方式，雖然每個穿孔可能有局部應(yīng)力，但在以任何方向延伸的基底的擴展范圍內(nèi)，這些局部應(yīng)力相互抵消，對穿孔的基底提供總的平面裝特性。因此，本發(fā)明穿孔基底能夠設(shè)置成長度和寬度基本大于現(xiàn)有穿孔基底，滿足和超過商業(yè)生產(chǎn)電池所要求的平面度的容許技術(shù)要求。
因此，在本發(fā)明的方法中，一半穿孔從基底的一面形成，而另一半從相對面形成。此復(fù)式穿孔技術(shù)引入相等且相反的應(yīng)力到基底，它們基本相互抵消，并且提供了一種比現(xiàn)有技術(shù)獲得的更為平面狀的產(chǎn)品。結(jié)果，提供了一種電極元件，例如用作電化學(xué)電池的電流集電體，其中，通過基底的相對主表面形成等量的均勻分布的穿孔。通過均勻交替穿過基底相對主表面設(shè)置的穿孔的分布結(jié)構(gòu)，在每個穿孔處產(chǎn)生的應(yīng)力被通過基底的相對主表面形成的相鄰穿孔基本抵消。以此方式，穿孔基底保持相對的平面狀。
可以理解對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，對在此描述的創(chuàng)造性概念的各種變形是顯而易見的，而不脫離附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神范圍。
權(quán)利要求
1.一種多孔大致成平面狀的基底，包括共面的第一和第二主表面，每個主表面具有由形成的每個穿孔造成的類似結(jié)構(gòu)的應(yīng)力區(qū)域，具有因此除去應(yīng)力的應(yīng)力區(qū)域包圍的基底部分，沿任一主表面的任何方向在緊相鄰的應(yīng)力區(qū)域之間具有從一個表面到另一個表面交替排列的穿孔，從而引入相等且相反的應(yīng)力到基底，應(yīng)力基本相互抵消，以提供多孔基底的平面狀特性。
2.如權(quán)利要求1的基底，其特征在于在每個穿孔處的應(yīng)力區(qū)域是毛刺。
3.如權(quán)利要求1的基底，包括導(dǎo)電材料。
4.如權(quán)利要求1的基底，適合用作電化學(xué)電池中的電流集電體。
5.如權(quán)利要求1的基底，包括從鋼、銅、鋁、鐵、鎳、鋅、鈦、不銹鋼、及其合金構(gòu)成的組中選擇的導(dǎo)電材料。
6.如權(quán)利要求1的基底，其特征在于，在第一和第二主表面之間的厚度是在約0.013mm到約0.25mm之間。
7.如權(quán)利要求1的基底，其特征在于穿孔一般成圓形。
8.如權(quán)利要求6的基底，其特征在于穿孔具有約0.5mm到約3.0mm的直徑。
9.如權(quán)利要求1的基底，其特征在于，以穿孔率在約25％到約75％之間在基底內(nèi)設(shè)置穿孔。
10.一種多孔大致平面狀基底，包括共面的第一和第二主表面，其中每個主表面具有類似結(jié)構(gòu)的穿孔，每個穿孔沿任一表面的任何方向在緊相鄰穿孔之間從一個表面到另一表面以交替排列方式從一個表面穿孔并延伸穿過另一表面，從而引入所形成的每個穿孔產(chǎn)生的相等且相反的應(yīng)力，具有由此消除的應(yīng)力包圍的基底部分，應(yīng)力基本相互抵消，從而提供多孔基底的平面狀特性。
11.如權(quán)利要求10的基底，其特征在于穿孔以交替排列的方式在另一表面形成毛刺。
12.如權(quán)利要求10的基底，適合用作電化學(xué)電池中的電流集電體。
13.如權(quán)利要求10的基底，包括導(dǎo)電材料。
14.如權(quán)利要求10的基底，包括從鋼、銅、鋁、鐵、鎳、鋅、鈦、不銹鋼、以及其合金構(gòu)成的組中選擇的導(dǎo)電材料。
15.如權(quán)利要求10的基底，其特征在于，在第一和第二主表面之間的厚度是在約0.013mm到約0.25mm之間。
16.如權(quán)利要求11的基底，其特征在于穿孔一般成圓形。
17.如權(quán)利要求16的基底，其特征在于穿孔具有約0.5mm到約3.0mm的直徑。
18.如權(quán)利要求10的基底，其特征在于，以穿孔率在約25％到約75％之間在基底內(nèi)設(shè)置穿孔。
19.一種多孔大致平面狀基底，包括共面的第一和第二主表面，其中每個主表面具有類似結(jié)構(gòu)的穿孔，每個穿孔沿任一表面的任何方向在最相鄰的穿孔之間從一個表面到另一表面以交替排列的方式從一表面開始并延伸穿過另一表面，從而引入所形成的每個穿孔產(chǎn)生的相等且相反的應(yīng)力，具有由此消除的應(yīng)力包圍的基底部分，應(yīng)力基本相互抵消，以提供多孔基底的平面狀特性。
20.如權(quán)利要求19的基底，適合用作電化學(xué)電池的電流集電體。
21.如權(quán)利要求19的基底，包括導(dǎo)電材料。
22.如權(quán)利要求19的基底，其特征在于，穿孔在另一表面以交替排列形成毛刺。
23.如權(quán)利要求19的基底，包括從鋼、銅、鋁、鐵、鎳、鋅、欽、不銹鋼、及其合金構(gòu)成的組中選擇的導(dǎo)電材料。
24.如權(quán)利要求19的基底，其特征在于，在第一和第二主表面之間的厚度是在約0.013mm到約0.25mm之間。
25.如權(quán)利要求19的基底，其特征在于穿孔一般成圓形。
26.如權(quán)利要求25的基底，其特征在于穿孔具有約0.5mm到約3.0mm的直徑。
27.如權(quán)利要求19的基底，其特征在于，以穿孔率在約25％到約75％之間在基底內(nèi)設(shè)置穿孔。
28.一種制造多孔大致成平面狀的基底的方法，包括a)提供具有連續(xù)且共面的第一和第二表面的未穿孔的基底；以及b)引入類似結(jié)構(gòu)的穿孔，穿孔沿任一表面的任何方向在從一個表面到另一個表面的緊相鄰穿孔之間以交替排列的方式在第一和第二主表面的每一個表面開始并延伸穿過另一主表面，從而引入相等且相反的應(yīng)力到基底，應(yīng)力基本相互抵消，以提供穿孔基底的平面狀特性。
29.如權(quán)利要求28的方法，包括通過每個表面同時形成穿孔。
30.如權(quán)利要求28的方法，包括通過每個表面順序地形成穿孔。
31.如權(quán)利要求28的方法，包括提供一般成圓形的穿孔。
32.如權(quán)利要求28的方法，包括以穿孔率在約25％到約75％之間在基底內(nèi)設(shè)置穿孔。
33.如權(quán)利要求28的方法，包括提供第一和第二主表面之間的厚度在約0.013mm到約0.25mm之間的基底。
34.一種制造多孔大致成平面狀的基底的方法，包括a)提供具有連續(xù)且共面的第一和第二主表面的未穿孔的基底；以及b)穿透類似結(jié)構(gòu)的穿孔，穿孔在每個第一和第二主表面開始并且延伸穿過另一主表面，沿任一主表面的任何方向在緊相鄰穿孔之間，穿孔從一個表面到另一個表面以交替排列，從而引入相等且相反的應(yīng)力到基底，應(yīng)力基本相互抵消，以提供基底的平面特性。
35.如權(quán)利要求34的方法，包括通過每面同時穿孔。
36.如權(quán)利要求34的方法，包括通過每面順序地穿孔。
37.如權(quán)利要求34的方法，包括提供一般圓形的穿孔。
38.如權(quán)利要求34的方法，包括按穿孔率在約25％到約75％之間在基底內(nèi)設(shè)置穿孔。
39.如權(quán)利要求34的方法，包括提供第一和第二主表面之間的厚度在約0.013mm到約0.25mm之間的基底。
40.一種用于提供包括第一和第二主表面、多孔大致成平面狀基底的裝置，該裝置包括a)第一穿孔裝置，用于形成第一穿孔到基底的第一主表面，第一穿孔延伸穿過第二主表面；b)第二穿孔裝置，用于形成第二穿孔到基底的第二主表面，第二穿孔延伸穿過第一主表面；以及c)用于使第一和第二穿孔裝置同步的裝置，以便第一和第二穿孔基本同時形成到基底，其中，由此形成的穿孔沿任一表面的任何方向在緊接近的穿孔之間具有從一個表面到另一個表面的交替排列，從而引入相等且相反的應(yīng)力到基底，應(yīng)力基本相互抵消，以提供多孔基底的平面特性。
全文摘要
一種多孔基底,一半穿孔從基底的一個主表面形成,另一半從相對的主表面形成,說明了共面的兩個主表面。這樣引入相等且相反的應(yīng)力到基底,應(yīng)力基本相互抵消,提供滿足精確平面度要求的產(chǎn)品。
文檔編號H01M4/66GK1175097SQ96121488
公開日1998年3月4日 申請日期1996年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月13日
發(fā)明者C·G·詹金斯, D·R·赫斯特 申請人:佛羅里達貴重片盤公司