多孔基底及其制造方法 本申请是美国专利申请No.08/572,184的分案申请。
本发明一般地涉及一种多孔基底，更具体地说涉及一种设有大量穿孔的平面状导电基底。这种基底例如用作电化学电池的电流集电体。
从一片导电材料形成多孔基底是公知的，其中孔仅从一面冲压或者引入材料中。Eberle的美国专利No.4,345,452描述了一种用于把铅合金基底材料形成电池栅格的穿孔装置。穿孔装置包括要穿孔的基底材料的支承件和用于通过一面对基底穿孔、位于支承材料之上的偏压穿孔件。问题是在每个穿孔处在相对面上所形成的合成毛刺引入应力到基底，导致基底弯曲。传统上，通过压平毛刺来除去穿孔基底的弯曲。然而，当基底的宽度变得更大，补偿弯曲的困难加大。
在电池制造期间，极为重要的是基底电流集电体应尽可能成平面状，使电极活性材料能高速层叠在基底上。然而，充分压平毛刺以提供可接受的平面状基底常常是困难的，而且消除多孔基底的弯曲的压平补偿增加了制造过程的不必要步骤。因此，需要一种导电材料的多孔基底，它能符合商业使用，如电池的商业生产中的平面度的规格。
本发明提供一种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个具有相似结构的延伸到另一表面的穿孔，穿孔沿任一表面的任何方向在从一个表面到另一个表面的紧相邻穿孔之间以交替排列。通过以此方式均匀交替穿孔，在每个穿孔处产生的应力被通过相对主表面或基底形成的相邻穿孔基本抵消，而且基底保持平面形状。通过复式穿孔技术完成上述方法，其中一半穿孔从基底的一面形成，而另一半穿孔从相对面形成。
这种穿孔基底用作例如电化学电池中的电极的电流集电体，此穿孔基底的平面性能很适合用在商业电池制造。
结合下面的说明和附图，本发明的这些和其它方面对本领域普通技术人员将更为明显。
图1是根据本发明的多孔基底的局部平面图；
图2是沿图1的线2-2的横截面图；
图3是根据本发明在上升冲程位置具有穿孔件，用于形成多孔基底的复杂穿孔装置的局部横截面图；
图4是图3所示的复式穿孔装置的局部横截面图，但是在下降冲程位置具有穿孔件。
现在参见附图，图1和2表示最好是导电材料的多孔基底10，并使用图3和4所示的本发明的复式冲孔装置12形成。复式穿孔装置12包括彼此间隔开的第一板14和第二板16。虽在附图中未示出。但可以理解多孔基底10开始成一卷未穿孔或无孔的片材20(图3和4)并且当未卷绕时成大致平面状，具有位于相互平行的第一和第二主表面22和24。基底材料20片，例如低碳钢基底，通过位于靠近各个板的末端的两偏心辊28，30的拉力沿在板14，16之间形成的中间空间26行进。片材20的其它合适材料包括铜、铝、铁、镍、锌、钛、不锈钢、以及其合金。
多个第一穿孔件32以可滑动关系安装在第一板14的圆柱开孔34内。第一穿孔件32连接偏心固定在旋转凸轮驱动轴38上的第一凸轮件36。凸轮驱动轴38的一次完全转动使凸轮件36往复运动，通过一次完全穿孔循环，使在开孔34内的第一穿孔件32在上升冲程位置(图3)和下降冲程位置(图4)之间移动，然后回到上升冲程位置。在下降冲程位置，凸轮轴38的转动使凸轮件36推动第一穿孔件32穿过第一板14内的开孔34到未穿孔的基底20，直到它们刺穿在第二板16的相对面上支承的片材。在第二板16内设置有与第一穿孔开口32配准的斜槽40，斜槽40作为通道，由穿孔件从基底切下的块42(图4)通过此通道传到收集位置(未示出)。
以类似方式，第二板16具有多个圆柱开口44，可滑动的第二穿孔件46与开口44相配合。正如第一板14的第一穿孔件32的情况，第二穿孔件46连接偏心固定在第二旋转凸轮驱动轴50上的第二凸轮件48。驱动轴50的一次完全旋转使凸轮件48往复运动，完成一次完全穿孔循环，从而使开口44内的第二穿孔件46在上升冲程位置(图3)和下降冲程位置(图4)之间移动，然后回到上升冲程位置。在下降冲程位置，凸轮驱动轴50的旋转使凸轮件48推动第二穿孔件46穿过44，从而刺穿支承在第一板14的相对面的片材20。斜槽52设置在第一板14内，与第二穿孔开口44配准，以排除由第二穿孔件从片材20切下的块54到收集位置(未示出)。在这点上，本发明的复式穿孔装置12最好设置成：第一和第二板14，16的排列方向使吸引力能够通过斜槽40，52移动块42，54。因此，板14，16最好设置成并排排列，而非一个在另一个上面。
本发明地一个方向是第一和第二穿孔循环都优先同步起动，以便在穿孔循环的下降冲程阶段期间穿孔件32，46基本上同时刺穿此片基底材料20。按照本发明的范围也可预料第一和第二穿孔循环顺序起动刺穿此片基底材料20。在本发明的后一方面，术语顺序意味着穿孔件32或46的任何一个刺穿基底材料，接着由另一穿孔件刺穿，在各自穿孔间隙其间具有可识别的时间间隔。时间间隔的范围能从几分之一秒到可能刺穿基底每侧的单独生产过程。无论穿孔件32，46基本同时或顺序地启动来刺穿基底材料20，由此的复式穿孔技术在每个由此形成的穿孔处引入相等且相对的应力，它们基本相互抵消，从而对穿孔的基底10保持希望的平面特性。
更具体地，现在将详细说明第一穿孔件32和它们的支承板14的每个的结构，记住第二穿孔件46和第二板16有类似结构。每个第一穿孔件32有放大部分56，主体部分58和切割部分60。放大部分56的尺寸大小以可滑动且小间距关系安装在开口34的大腔部分62的范围内，大腔部分62延伸到形成台阶部分66的凸缘64。台阶部分66开口到板14，16之间的中间空间26，它的横截面尺寸小于放大部分66并且其尺寸大小以小间距关系接收穿孔件32的主体部分58。凸缘64形成偏置弹簧68的支座，弹簧68被穿孔件的放大部分56俘获在穿孔件32的主体部分58的周围。每个偏置弹簧68连续地使它的关联穿孔件离开板14，16之间的中间空间26。穿孔档块70固定在板14的外表面上，以部分封闭开口34的大腔部分62，以便防止第一穿孔件32由于弹簧68的力偏压到它们的开口34以外。穿孔档块70最好是可移动的，以便穿孔件损坏时供替换穿孔件32之用。
类似地，第二穿孔件46包括放大部分72，主体部分74和切割部分76。放大部分72以小间距关系可滑动地安装在开口44的大腔部分78的范围内，大腔部分78延伸到形成台阶部分82的凸缘80，台阶部分82依次开口到板14，16之间的中间空间26。台阶部分80的尺寸大小以小间隔关系接收穿孔件46的主体部分74，而台缘80形成用于偏压弹簧84的支座，弹簧84被穿孔件的放大部分72俘获在主体部分74的周围。弹簧84持续偏压它们的关联穿孔件46离开中间空间26，同时，可移动的穿孔档块86部分地封闭开口44的大腔部分78，以防止第二穿孔件46被弹簧偏压到它们的开口44以外。
图3表示在上升冲程位置的极点由各自的第一和第二板14，16支承的穿孔件32和46，其中，它们没穿透未穿孔的片材20。在这种位置下，凸轮件36，48以轴和穿孔件之间最短距离偏心固定在凸轮驱动轴38，50上。当偏心凸轮36，48在轴38，50上旋转时，穿孔件36，46压到弹簧68，84的偏压力上，穿透未穿孔的片材20，形成穿孔的基底10(图1，2和4)。当轴38，50继续旋转，从凸轮36、48到轴38、50的距离减小，并且偏压弹簧68，84的上升力使穿孔件32，46按照凸轮件36，48的轨迹离开中间空间26。
正如前面所讨论的，本发明的重要方面在于通过位于片材20的两面上的穿孔件32，46对片材20的复式穿孔。当完成一次穿孔循环时，无论穿孔是基本同时还是顺序的，当驱动轴38，50旋转使凸轮件36，48位于相对于轴的最短距离的上升冲程位置时，穿孔件32，46从已穿孔的基底10退回。然后在下一次穿孔过程之前基底材料的片带通过偏心辊28，30的作用向前转换位置。
在片材的复式穿孔期间，无论穿孔是基本同时还是顺序的，极为重要的是精确控制穿孔件的往复运动，以便在穿过未穿孔基底20的相对主表面22，24的相邻穿孔之间总能保持相似距离。因此，分别以方框88，90表示的平衡器和分别以方框92，94表示的减震器最好设置在每个凸轮驱动轴38，50上，以保证在穿孔过程的整个循环中完全的平衡移动。而且，极为重要的是通过偏心辊28，30精确控制基底材料片的转位移动。当在开口34，44内穿孔件32，46两个都向上偏压时(图3)，辊28，30在穿孔循环的上升冲程阶段期间移动片材。因此，在凸轮36，48的作用下穿孔件开始下降冲程运动时，偏心辊28，30旋转脱离接触穿孔基底12，从而在穿孔循环的下降冲程阶段期间(图4)使基底保持静止。
以那种方式，同步装置，在图3和4中表示成方框96，根据固定在辊驱动轴98和100上的偏心辊28，30的旋转移动来控制凸轮驱动轴38，50的旋转运动。辊28，30通过旋转预定弧度使基底沿板14，16之间的中间空间26在向前的方向上移动，这样，一旦开始顺序穿孔循环，基底片仅前进必要的距离以保证未穿孔部分对准穿孔件32，46并且导向穿孔件与从动孔间隔一段距离，该距离精确等于通过基底相对主表面穿透的交替穿孔之间的距离。
当基底材料片不再接触偏心辊28，30时，同步装置96使凸轮驱动轴38，50旋转凸轮36，48，迫使相对的穿孔件32，46克服弹簧68，84的偏压力进入穿孔循环的下降冲程阶段。这导致穿孔件刺穿此片未穿孔材料20的两个主表面。在凸轮驱动轴38，50的旋转期间，偏压弹簧68，84持续迫使穿孔件38，46离开基底并逆着凸轮件的行程。在辊驱动轴98，100上的平衡器102，104和凸轮驱动轴38，50上的平衡器88，90保持这些轴的旋转运动在无震动状态，而同步装置96保证分段复式穿孔和片状基底20的送进，从而提供了均匀穿孔的平面状产品。
因此，以已加工的穿孔形式，穿孔基底10有大量穿孔或孔(图1和2)，每个孔基本成圆形，而这样定型当沿任一主表面的任何方向观察时，每隔一个穿孔106从交替的第一和第二主表面22和24穿透基底的厚度。穿孔106直径最好在约0.5mm到约3.0mm之间，并且以孔率约25％到约75％的基底材料的表面积设置。
正如图2所示，如此的穿孔基底10在每个穿孔处具有呈毛刺108形式的周围应力区域，应力区域离开主表面平面向外伸出，该主表面与穿孔件引入形成穿孔的主表面相对。每个毛刺在紧靠穿孔处产生应力，趋于使此片基底材料从原来的平面状发生变形。然而，通过从基底的相对面形成交替穿孔，使由此形成的毛刺交替地伸出相对的主表面。因为穿孔具有类似形状，交替的毛刺结构在整个基底的穿孔扩展期间产生相等且相反的应力。为提供适当的穿孔基底，非圆形的穿孔形状对本复式穿孔装置12也是有用的。
以此方式，虽然每个穿孔可能有局部应力，但在以任何方向延伸的基底的扩展范围内，这些局部应力相互抵消，对穿孔的基底提供总的平面装特性。因此，本发明穿孔基底能够设置成长度和宽度基本大于现有穿孔基底，满足和超过商业生产电池所要求的平面度的容许技术要求。
因此，在本发明的方法中，一半穿孔从基底的一面形成，而另一半从相对面形成。此复式穿孔技术引入相等且相反的应力到基底，它们基本相互抵消，并且提供了一种比现有技术获得的更为平面状的产品。结果，提供了一种电极元件，例如用作电化学电池的电流集电体，其中，通过基底的相对主表面形成等量的均匀分布的穿孔。通过均匀交替穿过基底相对主表面设置的穿孔的分布结构，在每个穿孔处产生的应力被通过基底的相对主表面形成的相邻穿孔基本抵消。以此方式，穿孔基底保持相对的平面状。
可以理解对本领域普通技术人员来说，对在此描述的创造性概念的各种变形是显而易见的，而不脱离附加权利要求限定的本发明的精神范围。