原电池的涂布设备和方法 相关申请的相互参照
本申请要求于1998年4月10提交的美国临时专利申请60/081，400的利益。
关于在全联邦范围内发起的研究的声明
不适用
发明的背景
本发明涉及电化学蓄电池领域，尤其涉及用于向超薄金属膜上施加电化学方法起作用的材料、以适用于电化学蓄电池地方法和设备。
电化学蓄电池领域中的发展已研制出了具有电化学单位的蓄电池，它们具有卓越的充、放电特性。这些原电池需要厚度为2-5密耳的、诸如铅、镍或金属合金之类的超薄金属膜，在该膜上涂有极薄的多层电化学方法起作用的材料，其厚度约为1-5密耳。
如图2和3所示的典型的电化学单位包含有约2英寸宽和2-5密耳厚的铅合金的超薄带材2。该电化学方法起作用的材料3系一种包含有氧化铅、硫酸钠和其它惰性材料的混合物。该混合物3被施加于金属带2的顶表面和底表面上，涂满带材2的整个宽度，除了在带材的两个表面上留下未被涂布的带材边缘4，其宽度接近0.2英寸，以便提供未被涂布的电连接表面。
已开发出了用于将铅及其它适当的金属和合金制造成为适用于这些电化学单位的超薄膜形式的多种方法。美国专利5,677,078中揭示了这些超薄带材的使用。
电化学方法起作用的材料可以液态的形式施加到金属带上，然后再干燥以形成固态涂层。用于涂布超薄金属膜的多种装置和方法已被证实不能令人满意。一种特殊的方法是将水溶液喷射到金属膜的两个侧面上。由于喷射含有诸如铅之类的金属的溶液会给环境造成危害，因而该方法是不适用的。
其它方法是利用向薄膜施加液态溶液的辊设备来涂布薄膜的一个侧面，其中该薄膜由一支撑辊所支撑，以防该超薄膜断裂。采用该支撑辊只能一次涂布薄膜的单个侧面，而且还需要中间干燥步骤，因此延长了制造电化学单位所需的时间。采用涂布辊通常还无法提供适用于电连接的干净边缘，而须要在施加点上掩蔽该边缘、或者随后的清除步骤。
一种用于同时涂布薄膜的两个侧面的方法是将整个薄膜浸入到水溶液中。这种特殊的方法无法提供不被涂布的边缘，而须要随后的清除步骤或者用于去除一部分涂料的其它方法。另外，该特殊方法还须要施加到薄膜的两个侧面上的涂料必须是相同的，这在某些应用、例如双极蓄电池中是不适用的。
提供用于电连接的干净边缘对于确保所装配的蓄电池的性能而言是很重要的。上述步骤、诸如清除和掩蔽步骤已被证实因多种原因而不适用。清除总是不能彻底地去除涂料，而会留下残渣，这会影响蓄电池的性能。另外，薄膜的拉伸强度较低，因此在清除过程中会被撕裂。
掩蔽是用于遮盖在涂布过程中不要被涂布的那部分区域的一种处理方式。通常用辊来遮盖边缘，同时涂布带材的其余部分。由于涂料可能会泼溅在掩蔽辊上，因而该辊往往会变得很脏，而且接着会将所泼溅的涂料转移到应当保持干净的边缘部分上，从而削弱了蓄电池的性能。
发明概述
在其一个方面中，本发明涉及通过利用作用于金属带的单个侧面上的涂布杆机构来用电化学方法起作用的材料涂布薄金属带的两个侧面的方法和设备。该方法较佳地通过向自供给盘展开的带材的一个面进行涂布、改变带材的运动方向、涂布该带材的相反侧面，并干燥已涂布侧面来实施的。已干燥的涂布带材可卷绕在卷带盘上。
在较佳实施例中，来自供给盘的带材首先通过薄带引导装置，该引导装置在带材的第一侧面被涂布之前倒转该带材的行进方向。接着，该带材绕过第二薄带引导装置，该引导装置在带材的第二侧面被涂布、且被涂布带材被干燥之前再次倒转该带材的行进方向。薄带引导装置、供给盘和卷带盘控制带材的速度和张力，这样就无须在涂布机构处设置支撑辊。
本发明还涉及一种涂布机构，该机构包括蓄料池、穿过蓄料池中的液态涂料的混合杆以及接收来自混合杆的涂料、并将这些涂料施加至带材的涂布杆。混合杆沿纵向方向开槽，而涂布杆则沿圆周方向开槽。
附图简介
图1是装有本发明的一种超薄带涂布设备的示意图；
图2是可由图1所示设备所制得的被涂布超薄带的一部分的俯视图；
图3是图2所示带材的剖视图；
图4是图1所示设备的涂布机构的俯视图；
图5是图4所示涂布机构的剖视图；
图6是图4所示涂布机构的前视图；
图7是图4所示混合杆的正视图；
图8是图7所示混合杆的端视图；
图9是图4所示涂布杆的正视图；
图10是图9所示涂布杆的端视图；
图11是图9所示涂布杆辊部(drum)的局部放大图；以及
图12是用于图1所示设备的另一种涂布杆和刮刀结构。
较佳实施例的详述
请参阅图1，本发明的一实施例是涂布一种薄铅箔带12的两个侧面的涂布方法和设备10，该薄铅箔带具有电化学方法起作用的薄胶层，其密度约为3.5-4克/厘米3，以适用于蓄电池，这在美国专利5,047,300和5,677,078中有所描述，这两篇专利被在此援引以作参考。该涂布设备10包含有箔供给盘14、第一薄带(web)引导组件16、第一涂布机构18、第二薄带引导组件20、第二涂布机构22、干燥组件24和卷带盘26。整个设备安装在一垂直基座(未图示)的一侧上。
如图1所示，供给盘14上卷绕有薄铅箔带12，该供给盘可转动地安装在垂直基座上。该薄铅箔带12自供给盘14展开后，从一张力辊28的下面通过，该张力辊与供给盘14和第一薄带引导组件16通力协作，以便有助于使箔带12中的张力恒定。
第一薄带引导组件16沿着箔带路线30设置，它通过倒转箔带的行进方向、使箔带12的面向下的第一侧面32暴露于第一涂布机构18来改变箔带12的取向。该薄带引导组件16，诸如可从威斯康星州Madison的AccuWeb公司获得的、AccuGlide Ⅱ型060802窄薄带引导组件，具有可转动地安装在一对对置侧壁34之间的一对由软木包裹的辊32和33，其中一根辊33位于另一根辊32的上方。该对侧壁34籍由螺钉或本技术领域中已知的其它方法刚性安装在安置于设备底座(未图示)上的一支架(未图示)上。
具有面向上的第一侧面的箔带12接触到薄带引导下方辊32后向上90度变向，接着又触及上方辊33而向后90度变向，从而倒转箔带12原来的行进方向，而使该箔带的第一侧面32面向下。该薄带引导双重辊组件16可防止因箔带12的过度弯曲而发生断裂。
第一薄带引导组件16还利用微处理器控制的薄带引导控制系统(未图示)、诸如可从威斯康星州Madison的AccuWeb公司获得的、AccuGlide Ⅲ Micro(微)1000微处理器脉动补偿超声波薄带引导控制系统，来精确地引导第一涂布组件18上方的箔带12。该控制系统接收来自如由AccuWeb公司所提供的薄带引导控制系统和组件的一部分的超声波边缘探测器(未图示)的输入，以便确定箔带边缘，并根据所测得的边缘，利用致动器使辊32和33在所需方向上移动，从而适当地校准涂布机构18上方的箔带12。在不脱离本发明范围的情况下，也可采用本技术领域中已知的其它方法来引导箔带。
第一涂布机构18沿着箔带路径30设置在第一薄带引导组件16的下游，它用电化学方法起作用的溶液来涂布箔带12面向下的侧面32。该涂布机构18利用本技术领域中先前未知的方法和设备来涂布箔带12，以便提供厚度均匀的涂层，该涂层具有自箔带边缘向内终止的较好构成的涂层边缘。虽然涂布机构18如本文中所述的那样是新颖的，但在不背离本发明目的的情况下，也可采用可涂布箔带12的、诸如用于涂布带材的单个侧面的、任何涂布设备或方法。
如图4-6所示，涂布机构18具有底座组件40、混合杆42、涂布杆44和刮刀46。底座组件40具有一底座48，该底座系具有正面50、背面52、顶面54、底面56和两个侧面58的不起反应的材料块。形成在块体顶面54中的腔60限定蓄料池的底壁63。籍由螺钉或者本技术领域中已知的其它手段安装在底座48的每一个侧面58上的对置的不起反应的材料侧壁62限定大致平直的蓄料池侧壁64。该蓄料池在涂布之前存放电化学方法起作用的涂料。
蓄料池的底壁63具有供料段66和涂布段68。供料段66向内且向下倾斜而具有一圆形底部70，以便汇集用于供给至旋转的混合杆42的涂料。弧形的涂布段68设置在供料段66的后上方，它容纳可转动地安装的涂布杆44，混合杆42向该涂布杆提供涂料。
底座正面50中的埋头孔72与蓄料池的供料段66相连通。该孔72的埋头段上刻有螺纹，以便接纳涂料供给线上的一配件(未图示)。该供给线向蓄料池提供涂布过程中所用的涂料。
底座底面56中的清除孔74和75分别与蓄料池的供料段66和涂布段68相连通，以便于清除蓄料池。该孔74和75分别具有用于接纳螺纹塞(未图示)的有螺纹的埋头段，以便在涂布过程中防止涂料漏出。底座底面56中的四个螺纹安装孔76接纳螺钉，以便将涂布机构18安装到刚性安置于设备底座的一支架(未图示)上。
混合杆42可转动地安装在涂布机构底座侧壁62上，并具有将涂料供给至涂布杆44、且由轴向延伸的轴80所支撑的柱形辊部78。该辊部78大致延伸蓄料池的整个宽度，且极接近于蓄料池供料段66的圆形底部70。
如图7-8所示，辊部78的外表面具有十二条轴向沟槽82，这些沟槽构成了辊表面中的凹坑(scallop)，该凹坑搅动蓄料池中的涂料，并铲起涂料，将其供给至涂布杆44。
混合杆轴80沿着混合杆42的中心轴线轴向延伸。该轴80的各端延伸至底座组件的其中一个侧壁66内，且可转动地安装于其中。轴80的一个端部86延伸通过侧壁66，并且其上安装有齿轮88，该齿轮用于与安装在涂布杆轴92上的相邻齿轮90相啮合。
如图9-11所示，涂布杆44设置在混合杆42的后上方，并容纳由混合杆42所供给的涂料。涂料由旋转的涂布杆44向上供给至在顶上行进的铅箔12的面向下的侧面32。较佳地，箔带的行进方向与涂布杆44的旋转方向相反，从而在箔带12上施加一光滑的厚度均匀的涂层。
涂布杆44具有大致延伸蓄料池的整个宽度、且由轴向延伸的轴92所支撑的辊部94。该涂布杆辊部94向其宽度大致与辊部94相等的箔带12施加涂层。箔带12由薄带引导组件16根据涂布杆辊部44来校准，以便至少留下一侧边缘和自该箔带边缘向内的一段不被涂布，从而可与电连接器相连接。倘若箔带12的宽度大于辊部94，则无论是两边缘还是自该箔带边缘向内的两部分均可保持不被涂布。
请参阅图11，涂布杆辊部94在其外表面上具有多条圆周沟槽96。这些圆周沟槽96将由混合杆42所供给的涂料传送至面向下的箔带表面上，从而提供厚度基本均匀的涂层。这些沟槽96呈圆周状，与绕线涂布设备中所发现的螺旋状不同，以便在自箔带边缘向内的箔带12上提供干净光滑的涂层边缘。
较佳地，沟槽96切入到辊表面内，且沿着辊部的长度大致等距离间隔。沟槽的宽度、深度和形状对施加在箔带上的涂层厚度有影响。例如，等距离间隔的圆周V形沟槽96切入到辊表面内约0.040英寸，则深度约为0.040英寸的沟槽用于粘度约为2000-12000厘泊的涂料可提供约为0.005英寸厚的涂层。沟槽的V形形成60度角A。
涂布杆轴92沿着涂布杆44的中心轴线98轴向延伸。该轴92的各端100和102延伸至底座组件的其中一个侧壁62内，且可转动地安装于其中。轴的一个端部100延伸通过侧壁62，并且其上安装有齿轮90，该齿轮用于与安装在混合杆轴80上的相邻齿轮88相啮合。涂布杆轴的相对端部102延伸通过涂布机构底座的相对侧壁62，且适于与用于可转动地驱动涂布杆轴92、且使供料杆轴80反向旋转的驱动马达(未图示)紧密配合。
如图4-5所示，刮刀46可调节地安装在涂布机构底座的顶面54上，其一侧边缘108靠近涂布杆44，该刮刀可防止泼溅，并有助于提供厚度均匀的涂层。该刮刀46由不起反应的材料制成，其中形成有一对用于可滑动的调节移动的平行槽104。该刮刀46由穿过槽104的螺钉(未图示)来安装。该螺钉可由底座顶面54中的螺孔106所接纳。
刮刀边缘108应当被调节成尽可能地靠近涂布杆44，而不会使涂料堆积在刮刀46上。较佳地，刮刀46被调节成刮刀边缘108与涂布杆辊部44之间留有0.002-0.004英寸的间隙。
请回到图1，一旦箔带12的面向下的第一侧面32被涂布后，该箔带12就会沿着其路线30向第二薄带引导组件20行进。该第二薄带引导组件20与第一薄带引导组件16基本相同。第二薄带引导组件20通过倒转箔带12的行进方向来改变箔带12的取向，从而使其表面被刚刚涂布的箔带面向下的第一侧面32面向上，而使箔带的第二侧面36面向下而暴露于第二涂布机构22。
第二薄带引导组件20如上述第一薄带引导组件16那样来引导箔带12越过第二涂布机构22。第二涂布机构18与第一涂布机构18基本相同。箔带12中的张力由薄带引导组件16和20、张力辊28和38以及卷盘14和26所保持，从而不再需要施加涂层时位于第一和第二涂布机构18和22处的支撑辊。
采用两组独立的涂布机构18和22有利于在箔带12的第一侧面32上的涂层仍未干燥的情况下，可向其第二侧面36施加涂层，从而去除了中间干燥步骤。另外，采用两组独立的涂布机构18和22可使用户在箔带12的第一侧面32和第二侧面36上施加不同的涂层，以适用于双极蓄电池等中。
在两个侧面上具有潮湿的涂层的箔带12继而通过干燥设备24，以便将涂层中所含的水分减少至大约7-8％。较佳地，干燥设备24由设置在箔带路线30的上方和下方红外线加热件(未图示)所构成，当被涂布箔带12沿着箔带路线30行进时，加热件对准该箔带12。红外线加热件提供均匀的干燥加热。
接着，已干燥的被涂布箔带12在被卷绕到卷带盘26之前先触及张力辊38。该张力辊38与第二薄带引导组件20和卷带盘26通力协作，从而有助于保持被涂布箔带中的张力。
上述涂布设备的构件是由在涂布过程中协调各构件的运作的微处理器控制系统(未图示)所控制的。诸如激光测微计和湿度传感设备之类的传感器(未图示)向用于处理的微处理器提供输入，以便调节箔带的行进速度、涂布杆的转速以及加热程度等，以符合设定标准。
此外，使涂布杆的停转可有效地中止向箔带施加涂料。因此，控制系统允许用户使涂布机构的涂布杆停转，以使一部分行进中的箔带的整个宽度上不会被涂上涂料。
图12所示的另一种供料涂布杆44和刮刀46的结构系具有辊部110的涂布杆44，该辊部具有形成于辊部表面的中心部分114的圆周沟槽112和自中心部分114轴线延伸至辊部端部118的两个无槽部分116。开槽中心部分114的辊部外径大于无槽部分116的外径，从而在开槽部分114与无槽部分116之间产生直径差。
刮刀46具有边缘108，该边缘具有开设凹槽的中心部分120，以便容纳涂布杆辊部110的开槽中心部分114。凹槽部分120的长度略大于辊部110上的开槽部分114的长度，并且其深度略大于两个辊部114和116的直径差，从而使得刮刀46的无槽部分122距离涂布辊部110的无槽部分116要比开槽部分116更近些。
开设凹槽的刮刀与局部开槽的涂布杆辊部相结合可精确地调节箔带上的涂层边缘。刮刀靠近辊部开槽部分的那个部分提供如第一实施例中所述的光滑的厚度均匀的涂层。刮刀的无槽部分清晰地限定涂布杆的开槽段边缘处的涂层边缘，并防止在要保持不被涂布的箔带边缘上积聚过多的涂料。
虽然已图示并描述了本发明目前被认为是较佳的实施例，但对于本技术领域中的那些熟练技术人员一目了然的是，在不脱离本发明范围的情况下，本发明还可有多种变化和变型。