JP5552192B2 - バッテリ用セパレータ - Google Patents

Description

バッテリは、カソードとアノードとを電気的に分離するためにセパレータを含む。セパレータは、電極（すなわち、カソードおよびアノード）を互いに分離し、バッテリ内のイオンがセパレータを通って流れることができるようにする。したがって、セパレータは、カソードとアノードとの間の直接的な電子接触に由来することがある短絡を防止する。さらに、セパレータは、セパレータの構造的および生理化学的性質により、バッテリの内部抵抗、安定性、サイクル寿命、動作温度、および放電や充電速度などの動力学的パラメータに影響を与える。

バッテリ用セパレータの例示的な実施形態を示す図である。 図１のセパレータの上面図である。 図１のセパレータの上面図である。 別の例示的な実施形態によるセパレータの上面図である。 バッテリの例示的な実施形態を示す図である。 別の例示的な実施形態によるバッテリの長手方向断面図および横断面図である。 別の例示的な実施形態によるバッテリの長手方向断面図および横断面図である。

１つの実施形態では、バッテリ用セパレータは、多孔質膜と、多孔質膜の両方の端部に関連付けられた第１のローラおよび第２のローラとを含むことができる。第１のローラは、多孔質膜の一部が巻き付けられ、回転して膜を繰り出すように構成することができる。第２のローラは、回転して膜を巻き取るように構成することができる。

多孔質膜の両方の端部は、それぞれ、第１のローラおよび第２のローラに固定することができる。

第１のローラおよび第２のローラは、多孔質膜の一部が第１のローラから巻き出されるように協同して回転することができる。

第２のローラによって巻かれる多孔質膜の長さは、第１のローラと第２のローラとの間の距離と同じとすることができる。

第２のローラは、第１のローラの回転方向と同じ方向に回転して膜を巻き取るように構成することができる。第２のローラは、第１のローラの回転方向と反対方向に回転して膜を巻き取るように構成することもできる。

セパレータは、多孔質膜に関して第２のローラを回転させるために第２のローラに動作可能に接続された回転デバイスをさらに含むことができる。

第２のローラは、外部から印加されるトルクを受け取って第２のローラを回転させるように構成された１つの端部を有することができる。

第１のローラおよび第２のローラは、それぞれ、電気化学耐性材料で製作することができる。化学耐性材料は、鋼、アルミニウム、プラスチック、または複合材料を含むことができる。

多孔質膜は、不織繊維、ポリマー、および無機複合物のうちの少なくとも１つで製作することができる。

別の実施形態では、バッテリは、カソードおよびアノード、ならびにカソードとアノードとを分離するためのセパレータを含むことができる。セパレータは、多孔質膜と、多孔質膜の両方の端部に関連付けられた第１のローラおよび第２のローラとを含むことができる。第１のローラは、多孔質膜の一部が巻き付けられ、回転して膜を繰り出すように構成することができる。第２のローラは、回転して膜を巻き取るように構成することができる。

バッテリは、多孔質膜に関して第２のローラを回転させるために第２のローラに動作可能に接続された回転デバイスをさらに含むことができる。

バッテリは、第１のローラと第２のローラとの間に配置された繰り出された多孔質膜の目詰まり値を検出するように構成されたセンサをさらに含むことができる。

目詰まり値は、バッテリの所望の電圧とバッテリによって生成された電圧との間の差値とすることができる。

目詰まり値が基準値を超えたことをセンサが検出すると、第２のローラは多孔質膜を巻き取ることができる。

バッテリは、カソード、アノード、およびセパレータを収納するためのケースをさらに含むことができる。

ケースは、ケースに含まれる電解質が第１のローラおよび第２のローラとケースとの間を通り抜けないようにするために、第１のローラおよび第２のローラをそれぞれ取り囲むための第１のシールおよび第２のシールを含むことができる。

ケースは開口を有することができ、それを通して第２のローラの一方の端部は外部に露出される。

ケースは、ケースに含まれる電解質が開口を通って漏れないように第３のシールをさらに含むことができる。

以下の詳細な説明では、その説明の一部を形成する添付図面が参照される。図面では、文脈において特に指示がない限り、同様の記号は、一般に、同様の構成要素を特定する。発明を実施するための形態、図面、および特許請求の範囲で説明される例示的な実施形態は限定を意図するものではない。本明細書で提示する主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、他の改変を行うことができる。本明細書で一般的に説明され、図に示されるような本開示の態様は、多種多様な異なる構成において配置、交換、組合せ、分離、および設計が可能であり、そのすべてが本明細書で明確に意図されることが容易に理解されよう。

図１は、バッテリ用セパレータの例示的な実施形態を示す。本明細書で使用するとき、バッテリは、蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための任意の手段を含むことができる。さらに、バッテリは、化学エネルギーを電気エネルギーに不可逆的に変換する一次電池、または再充電することができる二次電池を含むことができる。

図１は、多孔質膜１３０と、多孔質膜１３０の両方の端部に関連付けられた第１のローラ１１０および第２ローラ１２０とを含むセパレータ１００を示す。１つの実施形態では、多孔質膜１３０は、ロール部分１３１と、ロール部分１３１に接続された繰出し部分１３２とを含むことができる。特に、図１では、第１のローラ１１０は多孔質膜１３０のロール部分１３１が巻き付けられ、第２のローラ１２０は繰出し部分１３２に関連付けられることが示されている。第２のローラ１２０は繰出し部分１３２の一方の端部に関連付けられ、かかる一方の端部はロール部分１３１に接続された他方の端部の反対側にあるので、第２のローラ１２０は、第１のローラ１１０から、平行に、繰出し部分１３２の幅まで離すことができる。

１つの実施形態では、第１のローラ１１０は、多孔質膜１３０のロール部分１３１が巻き付けられ、回転して多孔質膜１３０のロール部分１３１を繰り出すように構成され得る。第２のローラ１２０は、回転して多孔質膜１３０の繰出し部分１３２を巻き取るように構成することができる。第１のローラ１１０および第２ローラ１２０は協同して回転し、その結果、多孔質膜１３０のロール部分１３１は第１のローラ１１０から巻き出され、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２は第２のローラ１２０により巻き付けられ得る。第１のローラ１１０および第２ローラ１２０の回転は以下で詳細に説明される。

１つの実施形態では、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０の一方または両方はラチェット（図示せず）を含むことができ、それにより、第１のローラ１１０または第２のローラ１２０は一方の回転方向にのみ回転が可能であり、第１のローラ１１０または第２のローラ１２０は反対の回転方向への回転が防止される。例えば、ラチェットは、第２のローラ１２０に設けられ、第２のローラ１２０と一緒に回転し、セパレータ１００を収納するケース（図示せず）に設けられた歯止めに係合することができる。ラチェットは、各々が緩い傾斜と急な傾斜とを有する歯を有することができる。ラチェットが一方の回転方向に回転すると、歯止めは歯の緩い傾斜を滑動する。ラチェットが反対の回転方向に回転すると、歯止めは１つの歯の急な傾斜に押しつけられてラチェットの回転を防止し、それによって、第２のローラ１２０の回転が防止される。

１つの実施形態では、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０は、第１のローラ１１０および第２ローラ１２０が含まれるバッテリ内で生じる電気化学反応によって第１のローラ１１０および第２のローラ１２０が損傷されないように電気化学耐性材料で製作することができる。電気化学耐性材料は、限定はしないが、鋼、アルミニウム、プラスチック、または複合材料を含むことができる。

第１のローラ１１０および第２のローラ１２０は多孔質膜１３０の両方の端部に関連付けられる。１つの実施形態では、多孔質膜１３０の両方の端部は、それぞれ、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０に固定することができる。図１は、多孔質膜１３０の一方の端部（例えば、多孔質膜１３０のロール部分１３１の一方の端部）が、第１のローラ１１０の長手方向に、第１のローラ１１０の表面に配置および固定されることを示す。図１は、さらに、多孔質膜１３０の他方の端部（例えば、多孔質膜１３０のロール部分１３１に接続されていない、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２の一方の端部）が、第２のローラ１２０の長手方向に、第２のローラ１２０の表面に配置および固定されることを示す。多孔質膜１３０の両方の端部は第１のローラ１１０および第２のローラ１２０に固定されるので、多孔質膜１３０は、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０が回転するとき巻くか、または繰り出すことができる。

別の実施形態では、多孔質膜１３０の両方の端部は、それぞれ、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０に接着剤で貼り付けることができる。多孔質膜１３０の一方の端部の表面は、接着剤を塗布し、第１のローラ１１０の表面に貼り付けることができる。多孔質膜１３０の他方の端部の表面は、やはり接着剤を塗布し、第２のローラ１２０の表面に貼り付けることができる。接着剤は、バッテリ内の電気化学反応に影響を与えないポリフッ化ビニリデンまたはポリビニルアルコールなどの材料を含むことができる。

さらなる別の実施形態では、多孔質膜１３０の両方の端部は、それぞれ、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０に取付具で固定することができる。例えば、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０の各々は、多孔質膜１３０の各端部を嵌め込むことができるスリット（図示せず）を有することができる。スリットは第１のローラ１１０および第２のローラ１２０の長手方向に設けることができ、スリットの長さは多孔質膜１３０の端部の長さと実質的に同一とすることができる。第１のローラ１１０のスリットおよび第２のローラ１２０のスリットは、それぞれ、多孔質膜１３０の両方の端部を保持することができ、その結果、多孔質膜１３０は第１のローラ１１０および第２のローラ１２０から分離されない。

さらなる別の実施形態では、多孔質膜１３０の両方の端部は、それぞれ、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０に熱溶接で固定することができる。熱が多孔質膜１３０の両方の端部に印加されると、多孔質膜１３０の両方の端部は溶けて、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０に溶接および固定され得る。

多孔質膜１３０は、電荷が通過する複数の細孔（図示せず）を有することができる。多孔質膜１３０は、不織繊維、ポリマー、および無機複合物のうちの少なくとも１つで製作することができる。多孔質膜１３０の厚さは、約３０μｍ未満、または約１０μｍから３０μｍの間とすることができる。多孔質膜１３０の１つの細孔のサイズは約０．１μｍから２μｍ、または約０．１μｍから１μｍとすることができる。

１つの実施形態では、セパレータ１００は、多孔質膜１３０に関して第２のローラ１２０を回転させるために第２のローラ１２０に動作可能に接続された回転デバイス（図示せず）をさらに含むことができる。回転デバイスは、第２のローラ１２０の端部１２１および１２２の一方または両方に配置し、第２のローラ１２０に機械的に結合させることができる。回転デバイスは、第２のローラ１２０の中心軸のまわりに第２のローラ１２０を回転させることができる。回転デバイスは、セパレータ１００を有するバッテリまたは任意の外部電源によって電力供給され得る。

１つの実施形態では、第２のローラ１２０は、第２のローラ１２０を回転させるために端部１２１および１２２の一方または両方で外部からトルクを受け取ることができる。第２のローラ１２０の端部１２１または１２２は、ねじ回しなどの外部器具に係合することができる窪みを有することができる。ユーザーまたは外部機器は、第２のローラ１２０の一方の端部１２１または１２２の窪みに外部器具を係合させ、第２のローラ１２０をその中心軸のまわりに回転させて多孔質膜１３０を巻き取ることができる。

１つの実施形態では、回転デバイスは外部からトルクを受け取り、第２のローラ１２０を回転させることができる。例えば、回転デバイスは、外部器具に係合することができる窪みを有することができる。ユーザーまたは外部機器は、外部器具を回転デバイスの窪みに係合させて、回転デバイスを回転させ、それによって、第２のローラ１２０を回転させることができる。したがって、回転デバイスは、セパレータ１００を有するバッテリまたは任意の外部電源から供給される電力で動作するか、または、さらに、外部からのトルクで動作することができる。

セパレータ１００の１つの動作サイクルが、図２Ａおよび図２Ｂを参照しながら以下で説明される。本明細書で使用されるとき、セパレータ１００の１つの動作サイクルは、第１のローラ１１０および第２ローラ１２０が、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２を、多孔質膜１３０のロール部分１３１と部分的にまたは完全に取り替えるために協同して回転する１つのサイクルを指すことができる。

図２Ａおよび図２Ｂは、図１のセパレータ１００の上面図である。図２Ａおよび図２Ｂは、第１のローラ１１０と、第１のローラ１１０から離間した第２のローラ１２０と、第１のローラ１１０を第２のローラ１２０に接続する多孔質膜１３０とを含むセパレータ１００を示す。

図２Ａにおいて、多孔質膜１３０の一方の端部（例えば、ロール部分１３１の一方の端部）は第１のローラ１１０に固定される。多孔質膜１３０のロール部分１３１は第１のローラ１１０のまわりに１つの方向（例えば、右回り方向「Ａ」）に巻き付けられる。第１のローラ１１０は、その中心軸のまわりに、ロール部分１３１の巻かれた方向「Ａ」と同じ方向に回転するように構成され、その結果、多孔質膜１３０のロール部分１３１は、第１のローラ１１０が方向「Ａ」に回転するとき繰り出され得る。

多孔質膜１３０の他方の端部（例えば、ロール部分１３１に接続されていない、繰出し部分１３２の一方の端部）は第２のローラ１２０に固定され、その結果、多孔質膜１３０の他方の端部は、第２のローラ１２０がその中心軸のまわりに回転するとき第２のローラ１２０と一緒に回転することができる。第２のローラ１２０は、第１のローラ１１０の回転方向「Ａ」と同じ方向の部分１３１の巻かれた方向「Ａ」と反対方向「Ｂ」に回転することができる。

多孔質膜１３０の繰出し部分１３２（第１のローラ１１０と第２のローラ１２０との間に配置された）が多孔質膜１３０のロール部分１３１と取り替えられる場合、第２のローラ１２０は回転して、繰出し部分１３２を第２のローラ１２０の方に引き出すことができる。例えば、第２のローラ１２０は、図２Ａに示されるように、左回り方向「Ｂ」に回転することができる。第２のローラ１２０は、上述のように、回転デバイスから与えられる回転力、または第２のローラ１２０の一方の端部（例えば、図１の端部１２１または１２２）に印加されるトルクに応じて回転することができる。

第２のローラ１２０が回転力に応じて回転し、繰出し部分１３２を第２のローラ１２０の方に引き出すとき、その力は、繰出し部分１３２がロール部分１３１に接続されており、ロール部分１３１の一方の端部が第１のローラ１１０に固定されているので、繰出し部分１３２を通して第１のローラ１１０に渡され得る。言い換えれば、第２のローラ１２０が回転するとき、繰出し部分１３２は第２のローラ１２０に巻き付けられ、したがって、繰出し部分１３２に接続されたロール部分１３１は第１のローラ１１０から引き出され、その結果、第１のローラは回転させられて、ロール部分１３１が繰り出され得る。したがって、ロール部分１３１および第１のローラ１１０は、渡されたパワーまたはトルクに応じて繰出し部分１３２を介して回転することができる。例えば、ロール部分１３１は、図２Ａに示されるように、第２のローラ１２０の回転方向「Ｂ」と反対である方向「Ａ」に第１のローラ１１０と一緒に回転することができる。第２のローラ１２０が回転するとき、繰出し部分１３２は第２のローラ１２０に巻き付くことができる。さらに、第１のローラ１１０が第２のローラ１２０によって回転させられるとき、ロール部分１３１は巻き出され、第２のローラ１２０の方に移動され得る。

多孔質膜１３０のロール部分１３１および第１のローラ１１０は、第２のローラ１２０が左回り方向「Ｂ」に回転するときに右回り方向「Ａ」に回転するように示されているが、反対方向の回転、すなわち、ロール部分１３１および第１のローラ１１０の左回り方向「Ｂ」の回転と、第２のローラ１２０の右回り方向「Ａ」の回転とを適用可能にすることができることが当業者には理解されよう。

図２Ｂは、動作サイクル中に、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２の全体を多孔質膜１３０のロール部分１３１と取り替えられたセパレータ１００を示す。上述のように、繰出し部分１３２は、第２のローラ１２０が左回り方向「Ｂ」に回転するときに第２のローラ１２０によって巻き付けられ得る。同時に、第１のローラ１１０は右回り方向「Ａ」に回転するので、ロール部分１３１は、繰出し部分１３２が第２のローラ１２０によって巻き付けられる量と同じ量だけ第１のローラ１１０によって巻き出される。したがって、ロール部分１３１の一部は第１のローラ１１０から繰り出され、第１のローラ１１０と第２のローラ１２０との間に関連付けられた新しい繰出し部分１３２’（図２Ｂにおける）として供給される。したがって、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２を、巻かれていたが、第１のローラ１１０の回転の結果として繰り出された状態になった多孔質膜１３０の新しい繰出し部分１３２’と取り替えることができる。

ロール部分１３１の一部分が新しい繰出し部分１３２’として供給されたので、ロール部分１３１’は、１つの動作サイクルの後、新しい繰出し部分１３２’の長さと同じ大きさだけ以前のロール部分１３１の長さよりも短い長さを有することができる。例えば、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２の全体が多孔質膜１３０の新しいロール部分１３２’と取り替えられる場合には、１つの動作サイクルの後に第２のローラ１２０によって巻かれた多孔質膜１３０の長さは、第１のローラ１１０と第２のローラ１２０との間の距離と実質的に同じとすることができる。

別の実施形態では、第２のローラ１２０、ロール部分１３１、および第１のローラ１１０はすべて同じ方向に回転することができる。例として、図２Ｃは、第２のローラ１２０、ロール部分１３１、および第１のローラ１１０が同じ方向に回転するセパレータ２００を示す。多孔質膜１３０のロール部分１３１が第１のローラ１１０のまわりに左回り方向「Ｂ」で巻き付けられる場合、ロール部分１３１および第１のローラ１１０は、第２のローラ１２０が左回り方向「Ｂ」に回転するとき左回り方向「Ｂ」に回転する。

第２のローラが上述のようなラチェットを含む１つの実施形態では、ユーザーは、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２を取り替える間に第２のローラ１２０によって巻かれた多孔質膜１３０の長さを検出することができる。ラチェットの回転の間、ラチェットと歯止めとの間の接触によって音または振動が生成される。音または振動の発生の数は第２のローラ１２０の回転角度に依存するので、ユーザーは、音または振動の発生の数を使用して第２のローラ１２０の回転角度を計算し、第２のローラ１２０の直径と第２のローラ１２０の回転角度との間の関係に基づいて第２のローラ１２０によって巻かれた多孔質膜１３０の長さを計算することができる。したがって、ユーザーは、ラチェットおよび歯止めによって生成された音または振動を使用して第２のローラ１２０によって巻かれる多孔質膜１３０の長さを容易に調整することができる。

以下、セパレータ１００を含むバッテリの例示的な実施形態が説明される。図３は、バッテリ３００の例示的な実施形態を示す。図３は、バッテリ３００がカソード３１０、アノード３２０、およびカソード３１０とアノード３２０とを分離するセパレータ１００を含むことを示す。セパレータ１００は、多孔質膜１３０、第１のローラ１１０、および第２のローラ１２０を含む。図１ならびに図２Ａおよび図２Ｂの要素と同じものは図１ならびに図２Ａおよび図２Ｂと同じ参照番号として表され、同じ要素に関する説明は説明を簡単にするために省略される。

カソード３１０およびアノード３２０はセパレータ１００を基準にして両側に設けることができる。特に、図３は、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２がカソード３１０とアノード３２０との間に設けられることを示す。カソード３１０で還元が生じてカチオンを生成することができ、アノード３２０で酸化が生じてアニオンを生成することができる。これらの電気化学反応により電力が生成され、その結果、バッテリ３００は、バッテリ３００に電気的に接続された電気機器に電力を供給することができる。１つの実施形態では、バッテリ３００で生成された電力は、上述のように、第２のローラ１２０に供給され、第２のローラ１２０を回転させることができる。

図３は、バッテリ３００がカソード３１０、アノード３２０、およびセパレータ１００を収納するためのケース３４０を含むことをさらに示す。ケース３４０の上部部分は、ケース３４０に収納されている要素を説明するために図３では省略されている。ケース３４０はバッテリ３００の外側表面を画定し、バッテリ３００の要素（例えば、カソード３１０、アノード３２０、およびセパレータ１００）を支持することができる。ケース３４０は、カソード３１０とアノード３２０との間の電気的接続のための電解質で満たすことができる。電解質は、限定はしないが、酸、塩基、または塩のイオン溶液とすることができる。ケース３４０は、セパレータ１００の第１のローラ１１０および第２のローラ１２０を回転可能に支持するための溝を有することができる。

ケース３４０は、ケース３４０がバッテリ３００内で生じる電気化学反応によって破損されないように電気化学耐性材料で製作することができる。さらに、ケース３４０はバッテリ３００を外部から遮断することができる。ケース３４０の材料は、限定はしないが、鋼、アルミニウム、プラスチック、または複合材料を含むことができる。ケース３４０の材料は第１のローラ１１０または第２のローラ１２０の材料と実質的に同じとすることができる。

１つの実施形態では、バッテリ３００に含まれるセパレータ１００の多孔質膜１３０は、多孔質膜１３０の目詰まりが閾値を超えるとき新しい多孔質膜と取り替えられることができる。特に、多孔質膜１３０の目詰まりは、多孔質膜１３０の溶融または多孔質膜１３０の細孔への汚染物質の挿入によって引き起こされることがある。多孔質膜１３０の溶融は、バッテリ３００内の電気化学反応の間に生成されるか、または外部から供給される熱によって引き起こされることがある。そのような熱はバッテリ３００の温度を上昇させ、それによって、多孔質膜１３０を溶融することがある。多孔質膜１３０の細孔に挿入されることがある汚染物質は、電解質、またはカソード３１０もしくはアノード３２０からの微粒子に含まれることがある。多孔質膜１３０の目詰まりはバッテリ３００の性能を劣化させるので、目詰まりした多孔質膜１３０を新しい多孔質膜と取り替えることにより性能劣化が防止される。

例えば、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２が目詰まりした場合、セパレータ１００は、目詰まりした繰出し部分１３２をロール部分１３１から供給された多孔質膜１３０の新しい部分（例えば、図２Ｂの１３２’）と取り替えることができる。目詰まりした多孔質膜の取替えでは、第２のローラ１２０が回転し、それにより、第１のローラ１１０が多孔質膜１３０により回転される。第２のローラ１２０が回転するとき、目詰まりした繰出し部分１３２を第２のローラ１２０に巻き付け、ロール部分１３１を第１のローラ１３１から巻き出し、多孔質膜１３０の新しい部分をカソード３１０とアノード３２０との間に供給することができる。第２のローラ１２０によって巻かれた多孔質膜１３０の長さが第１のローラ１１０と第２のローラ１２０との間の距離と実質的に同じである場合、第２のローラ１２０は回転を停止することができ、それにより、第１のローラ１１０の回転が停止することになる。したがって、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２は、第１のローラ１１０から供給された多孔質膜１３０の新しい部分と取り替えられ得る。前述の動作は、繰出し部分１３２の目詰まりが生じるときはいつでも繰り返すことができる。

図４Ａおよび図４Ｂは、別の例示的な実施形態によるバッテリの長手方向断面図および横断面図である。バッテリ４００は、カソード３１０、アノード３２０、セパレータ１００、およびケース３４０に加えて、１つまたは複数対の軸受４５１、４５２および４６１、４６２、第１のシール４７１から第３のシール４７３、回転デバイス４８０、開口４４１、ならびにセンサ４３０をさらに含むことができる。図１、図２Ａ、図２Ｂ、および図３の要素と同じものは図１、図２Ａ、図２Ｂ、および図３と同じ参照番号として表され、同じ要素に関する説明は説明を簡単にするために省略される。

図４Ａは、第１のローラ１１０の上部部分および下部部分を取り囲むように構成された軸受４５１および４５２と、第２のローラ１２０の上部部分および下部部分を取り囲むように構成された軸受４６１および４６２とを示す。１つの実施形態では、軸受４５１および４５２は、図４Ａに示されるように、それぞれ、ケース３４０の上部部分および下部部分に第１のローラ１１０と同軸に配置することができる。さらに、軸受４６１および４６２は、図４Ａに示されるように、それぞれ、ケース３４０の上部部分および下部部分に第２のローラ１２０と同軸に配置することができる。例えば、軸受４５１、４５２、４６１、および４６２の各々は、ケース３４０に固定された外縁と、外縁によって回転可能に支持された内縁とを含むことができる。外縁は、外縁が回転しないようにケース３４０に固定することができる。外縁は、ケース３４０内に設けられた窪みに挿入することができる。軸受４５１、４５２、４６１、および４６２の内縁は、軸受４５１、４５２、４６１、および４６２の外縁に対して回転することができる。１つの実施形態では、第１のローラ１１０は軸受４５１および４５２の内縁に嵌め込むことができ、第２のローラ１２０は軸受４６１および４６２の内縁に嵌め込むことができ、その結果、内縁は、ローラ１１０およびローラ１２０の回転の間、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０と一緒に回転することができる。したがって、第１のローラ１１０および第２のローラ１２０は、軸受４５１、４５２、４６１、および４６２、ならびにケース３４０によって回転可能に支持され得る。

図４は、ケース３４０に含まれる電解質が第１のローラ１１０とケース３４０との間を通り抜けないようにするための第１のシール４７１をさらに示す。１つの実施形態では、第１のシール４７１は、第１のローラ１１０と多孔質膜１３０のロール部分１３１とを取り囲むように構成することができる。例えば、第１のシール４７１は円弧状容器とすることができる（図４Ｂを参照）。第１のシール４７１は、第１のシール４７１の上部表面および下部表面に上部開口および下部開口を有することができる。したがって、第１のローラ１１０は上部開口および下部開口を通して第１のシール４７１に挿入することができる。

別の実施形態では、ケース３４０に面する第１のシール４７１の外側表面は、第１のシール４７１とケース３４０との間に間隙がないようにケース３４０に接触することができる。したがって、電解質は第１のシール４７１とケース３４０との間を通り抜けることができない。

多孔質膜１３０のロール部分１３１が巻き付けられる第１のローラ１１０の部分は第１のシール４７１で取り囲むことができるので、第１のシール４７１は、多孔質膜１３０のロール部分１３１がケース３４０内の電解質と接触しないようにすることができる。したがって、ロール部分１３１は、カソード３１０とアノード３２０との間の電気化学反応に関与しないようにし、かつ電解質に含まれる汚染物質に接触しないようにすることができる。

別の実施形態では、第１のシール４７１は、第１のシール４７１の側面表面にスリットを有することができる。多孔質膜１３０の繰出し部分１３２は、第１のシール４７１のスリットを通り抜けることができ、第２のローラ１２０に接続され得る。

図４Ａは、ケース３４０に含まれる電解質が第２のローラ１２０とケース３４０との間を通り抜けないようにするための第２のシール４７２をさらに示す。１つの実施形態では、第２のシール４７２は、第２のローラ１２０を取り囲むように構成することができる。例えば、第２のシール４７２は第１のシール４７１のような円弧状容器とすることができる（図４Ｂを参照）。第１のシール４７１と同様に、第２のシール４７２は、第２のシール４７２の開口を通して第２のローラ１２０を受け取るために第２のシール４７２の上部表面および下部表面に上部開口および下部開口を有することができる。

別の実施形態では、ケース３４０に面する第２のシール４７２の外側表面は、第２のシール４７２とケース３４０との間に間隙がないようにケース３４０に接触することができる。第１のシール４７１および第２のシール４７２とケース３４０との間に間隙がないので、電解質は多孔質膜１３０の繰出し部分１３２のみ通り抜け、それによって、電解質がカソードをアノードに直接接続しないようにすることができる。

別の実施形態では、第２のシール４７２は、第２のシール４７２の側面表面にスリットを有することができる。多孔質膜１３０の繰出し部分１３２は第２のシール４７２のスリットを通り抜けることができる。第２のシール４７２のスリットを通り抜けた繰出し部分１３２は第２のローラ１２０に巻き付けられることができる。

図４Ａは、第２のローラ１２０を回転するために第２のローラ１２０に動作可能に接続された回転デバイス４８０をさらに示す。１つの実施形態では、回転デバイス４８０は、第２のローラ１２０の一方の端部１２２に配置され、第２のローラ１２０に機械的に結合され得る。別の実施形態では、回転デバイス４８０は、上述のように、他方の端部（例えば１２１）または両方の端部１２１および１２２に配置することができる。

回転デバイス４８０は電気的な力を機械的な回転力に変換し、機械的な回転力を供給して第２のローラ１２０を回転させることができる。回転デバイス４８０はバッテリ４００のカソード３１０とアノード３２０とに電気的に接続することができ、したがって、回転デバイス４８０はバッテリ４００によって電力供給され得る。代替として、回転デバイス４８０は外部電源に電気的に接続することができる。

例えば、回転デバイス４８０は、回転デバイス４８０から長手方向に延びるシャフト（図示せず）を有することができる。シャフトは、回転デバイス４８０に含まれる軸受で回転可能に支持することができる。回転デバイス４８０は電気的な力が供給され、回転デバイス４８０のシャフトは、回転デバイス４８０中で電気的な力から機械的な回転力に変換することを通して供給される力によって回転することができる。回転デバイス４８０のシャフトは第２のローラ１２０に結合され、第２のローラを回転させることができる。

図４Ａは、ケース３４０に形成された開口４４１をさらに示す。１つの実施形態では、開口４４１は、第２のローラ１２０の一方の端部（例えば、１２１）を外部に露出するように構成することができる。第２のローラ１２０の端部１２１は、外部から印加されるトルクを受け取って第２のローラ１２０を回転させるように構成することができる。端部１２１は、ねじ回しなどの外部器具に係合することができる窪みを有することができる。ユーザーまたは外部機器は、ケース３４０の開口４４１を通して外部器具を第２のローラ１２０の窪みに係合させ、その器具を回転させることによって多孔質膜１３０を巻き取るように第２のローラ１２０をその中心軸のまわりに回転させることができる。開口４４１が第２のローラ１２０の端部１２１に形成されるように図４Ａでは示されているが、開口４４１を他方の端部、すなわち、第２のローラ１２０の端部１２２に形成してもよいこと、またはケース３４０内の第２のローラ１２０の両方の端部に２つの開口を形成することができ、そこで、第２のローラ１２０の両方の端部は外部から印加されるトルクを受け取ることが当業者には明らかであろう。

図４Ａは、ケース３４０に含まれる電解質が開口４４１を通して漏れないようにするための第３のシール４７３をさらに示す。第３のシール４７３は開口４４１に挿入され、第２のローラ１２０の端部１２１を取り囲むことができる。第３のシール４７３は、第２のローラ１２０を回転させることができるように構成されたゴムまたはプラスチックのパッキンまたは軸受タイプシールとすることができる。

図４Ｂは、第１のローラ１１０と第２のローラ１２０との間に配置された多孔質膜１３０の繰出し部分１３２の目詰まり値を検出するように構成されたセンサ４３０を示す。図５Ｂではセンサ４３０がケース４４０内に設けられているように示されているが、センサ５３０はケース３４０の外に設けることができる。

１つの実施形態では、繰出し部分１３２の目詰まり値は、バッテリ４００の所望の電圧とバッテリ４００によって生成された電圧との間の差値とすることができる。例えば、所望の電圧は、未使用のバッテリ４００の初期状態にバッテリ４００によって生成される電圧とすることができる。多孔質膜１３０の繰出し部分１３２の細孔がバッテリ４００の使用中に目詰まりした場合、たとえバッテリ４００が完全に充電されてもバッテリ４００によって生成される電圧はバッテリ４００の所望の電圧よりも低くなる。そのとき、バッテリ４００の所望の電圧とバッテリ４００によって生成された電圧との間の差値は大きくなる。センサ４３０は、差値が基準値を超えているかどうかを検出することができる。基準値は、所望の電圧の１０％から４０％、または２０％から３０％の範囲とすることができる。

別の実施形態では、繰出し部分１３２の目詰まり値は、第１の電流と第２の電流との間の差値とすることができる。第１の電流はカソード３１０とセパレータ１００との間の電流であり、第２の電流はアノード３２０とセパレータ１００との間の電流である。本実施形態では、センサ４３０はケース３４０内に設けることができる。センサ４３０は、カソード３１０とセパレータ１００との間に設けられた第１の感知要素４３１と、アノード３２０とセパレータ１００との間に設けられた第２の感知要素４３２とを含むことができる。第１の感知要素４３１および第２の感知要素４３２は、ケース３４０に固定され、ケース３４０によって支持され、互いに電気的に接続され得る。第１の感知要素４３１は第１の電流を検出することができ、第２の感知要素４３２は第２の電流を検出することができる。多孔質膜１３０の繰出し部分１３２の細孔が目詰まりした場合、カソード３１０またはアノード３２０からの電荷は繰出し部分１３２の細孔を通り抜けるのが困難である。そのとき、第１の電流と第２の電流との間の差値は大きくなる。センサ４３０は、第１の電流と第２の電流との間の差値がある量、例えば、基準値の１２０％から１８０％、または１４０％から１７０％だけ基準値を超えているかどうかを検出することができる。基準値は、未使用のバッテリにおける第１の電流と第２の電流との間の初期の差値とすることができる。

セパレータ１００は、目詰まり値が基準値を超えていることをセンサ４３０が検出すると、第２のローラ１２０が多孔質膜１３０の繰出し部分１３２を巻き取るように構成することができる。目詰まり値が基準値を超えていることをセンサ４３０が検出すると、センサ４３０は回転デバイス４８０が回転するように制御し、その結果、第２のローラ１２０は多孔質膜１３０の繰出し部分１３２を巻き取ることができる。回転デバイス４８０は回転デバイス４８０に接続された第２のローラ１２０を回転させることができ、第１のローラ１１０は多孔質膜１３０を通して第２のローラ１２０によって回転され得る。図３について上述したように、第１のローラ１１０と第２のローラ１２０との協同的な回転により、多孔質膜１３０の繰出し部分１３２は、第１のローラ１１０から供給された多孔質膜１３０の新しい部分と取り替えられ得る。上述の動作は、繰出し部分１３２の目詰まりが生じるときはいつでも繰り返すことができる。

セパレータ１００、カソード３１０、アノード３２０、ならびに第１のシール４７１および第２のシール４７２の各々の数は、図４Ａおよび図４Ｂでは１つであるように示されているが、多数のセパレータ１００、カソード３１０、アノード３２０、または第１のシール４７１および第２のシール４７２をケース３４０内に設けることができることが当業者には理解されよう。

本明細書で開示された様々なプロセスおよび方法について、プロセスおよび方法で行われる機能は異なる順序で実施することができることが当業者には理解されよう。さらに、概説したステップおよび動作は例としてのみ提供されており、ステップおよび動作のうちのいくつかは、開示された実施形態の本質から逸脱することなく、オプションとする、より少ないステップおよび動作に組み合わせる、または追加のステップおよび動作に拡大することができる。

本開示は、本出願で説明された特定の実施形態によって限定されるべきではなく、特定の実施形態は様々な態様の例として意図されている。当業者には明らかであるように、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく多くの変更および変形を行うことができる。本明細書に列挙されたものに加えて、本開示の範囲内の機能的に均等な方法および装置は前述の説明から当業者には明らかであろう。そのような変更形態および変形形態は添付の特許請求の範囲内にあるものである。本開示は、そのような特許請求の範囲が権利化される均等物の全範囲とともに、添付の特許請求の範囲の条項によってのみ限定されるべきである。本開示は、特定の方法、試薬、化合物、組成物、または生物系に限定されず、当然変更し得ることが理解されるべきである。本明細書で使用される術語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定するためのものではないことも理解されるべきである。

本明細書における実質的にすべての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。様々な単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。

通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（例えば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（例えば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｕｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。例えば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む実施形態に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（例えば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。例えば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。

さらに、本開示の特徴または態様がマーカッシュグループによって記載される場合、本開示は、それによってマーカッシュグループの任意の個別のメンバーまたはサブグループによっても記載されることが当業者には認識されよう。

当業者には理解されるように、すべての目的のために、例えば明細書を提供することに関して、本明細書で開示されるすべての範囲は、すべての可能な部分範囲およびそれらの部分範囲の組合せをさらに包含する。任意の列記された範囲は、その同じ範囲を少なくとも２等分、３等分、４等分、５等分、１０等分などに分割されることを十分に記載および可能にすると容易に理解され得る。非限定の例として、本明細書に記載された各範囲は、下位の３分の１、中位の３分の１、および上位の３分の１などに容易に分割され得る。当業者にはやはり理解されるように、「まで」、「少なくとも」などのようなすべての言葉は、列挙された数を含み、続いて、上述のような部分範囲に分割することができる範囲を表す。最後に、当業者には理解されるように、範囲は個別のメンバーの各々を含む。したがって、例えば、１〜３のセルを有するグループは、１つ、２つ、または３つのセルを有するグループを表す。同様に、１〜５のセルを有するグループは、１つ、２つ、３つ、４つ、または５つのセルを有するグループを表すというようになる。

前述から、本開示の様々な実施形態が説明のために本明細書に記載されたが、本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく様々な変更を行うことができることが理解されよう。したがって、本明細書で開示された様々な実施形態は限定するものではなく、真の範囲および趣旨は以下の特許請求の範囲によって示される。

Claims (26)

1. バッテリ用セパレータであって、
   多孔質膜と、
   前記多孔質膜の両方の端部に関連付けられた第１のローラおよび第２のローラと、を含み、
   前記第１のローラは、前記多孔質膜の一部が巻き付けられ、回転して前記膜を繰り出すように構成され、
   前記第２のローラは、回転して前記膜を巻き取るように構成されている、セパレータ。
2. 前記多孔質膜の両方の端部が、それぞれ、前記第１のローラおよび前記第２のローラに固定される、請求項１に記載のセパレータ。
3. 前記第１のローラおよび前記第２のローラは、前記多孔質膜の一部が前記第１のローラから巻き出されるように協同して回転する、請求項１に記載のセパレータ。
4. 前記第２のローラによって巻かれる前記多孔質膜の長さが、前記第１のローラと前記第２のローラとの間の距離と同じである、請求項１に記載のセパレータ。
5. 前記第２のローラが、前記第１のローラの回転方向と同じ方向に回転して前記膜を巻き取るように構成されている、請求項１に記載のセパレータ。
6. 前記第２のローラが、前記第１のローラの回転方向と反対方向に回転して前記膜を巻き取るように構成されている、請求項１に記載のセパレータ。
7. 前記多孔質膜に関して前記第２のローラを回転させるために前記第２のローラに動作可能に結合された回転デバイスをさらに含む、請求項１に記載のセパレータ。
8. 前記第２のローラが、外部から印加されるトルクを受け取って前記第２のローラを回転させるように構成された１つの端部を有する、請求項１に記載のセパレータ。
9. 前記第１のローラおよび前記第２のローラが、それぞれ、電気化学耐性材料で製作される、請求項１に記載のセパレータ。
10. 前記化学耐性材料が、鋼、アルミニウム、プラスチック、または複合材料を含む、請求項９に記載のセパレータ。
11. 前記多孔質膜が、不織繊維、ポリマー、および無機複合物のうちの少なくとも１つで製作される、請求項１に記載のセパレータ。
12. カソードおよびアノード、ならびに
    前記カソードと前記アノードとを分離するためのセパレータ
    を含むバッテリであって、
    前記セパレータが、多孔質膜と、前記多孔質膜の両方の端部に関連付けられた第１のローラおよび第２のローラとを含み、
    前記第１のローラは、前記多孔質膜の一部が巻き付けられ、回転して前記膜を繰り出すように構成され、
    前記第２のローラは、回転して前記膜を巻き取るように構成される、
    バッテリ。
13. 前記多孔質膜に関して前記第２のローラを回転させるために前記第２のローラに動作可能に結合された回転デバイスをさらに含む、請求項１２に記載のバッテリ。
14. 前記第１のローラと前記第２のローラとの間に配置された前記繰り出された多孔質膜の目詰まり値を検出するように構成されたセンサをさらに含む、請求項１２に記載のバッテリ。
15. 前記目詰まり値が、前記バッテリの特定の電圧と前記バッテリによって生成された電圧との間の差値である、請求項１４に記載のバッテリ。
16. 前記目詰まり値が基準値を超えたことを前記センサが検出したことに応答して、前記第２のローラは、前記多孔質膜を巻き取るように構成されている、請求項１４に記載のバッテリ。
17. 前記カソード、前記アノード、および前記セパレータを収納するためのケースをさらに含む、請求項１２に記載のバッテリ。
18. 前記ケースは、前記ケースに含まれる電解質が前記第１のローラおよび第２のローラと前記ケースとの間を通り抜けないようにするために、前記第１のローラおよび前記第２のローラをそれぞれ取り囲むための第１のシールおよび第２のシールを含む、請求項１７に記載のバッテリ。
19. 前記ケースが開口を有し、それを通して前記第２のローラの一方の端部が外部に露出される、請求項１７に記載のバッテリ。
20. 前記ケースは、前記ケースに含まれる電解質が前記開口を通って漏れないように第３のシールをさらに含む、請求項１９に記載のバッテリ。
21. カソードと、
    アノードと、
    第１の部分および第２の部分を含むセパレータと、
    第１のローラと、を備え、
    前記第１のローラは、前記第１の部分または前記第２の部分の何れかが前記カソードと前記アノードとの間に選択的に位置付けられるように、回転して前記セパレータを巻き取るように構成されている、バッテリ。
22. 前記第１の部分および第２の部分は多孔質膜から成る、請求項２１に記載のバッテリ。
23. 第２のローラをさらに含み、
    前記第２の部分が、最初は、前記第１のローラおよび前記第２のローラの一方に巻き取られ、前記第１の部分が前記カソードと前記アノードとの間に位置付けられ、
    前記第２の部分が前記カソードと前記アノードとの間に位置付けられ、前記第１の部分が前記第１のローラおよび前記第２のローラの一方に少なくとも部分的に巻き取られるように、前記第１のローラおよび前記第２のローラが回転して前記第１の部分を前記第２の部分と取り替えるように構成されている、請求項２２に記載のバッテリ。
24. 前記バッテリによって生成された電圧を検出するように構成されたセンサをさらに含み、前記セパレータの選択的な位置付けが、所望の電圧と前記バッテリによって生成された前記電圧との間の差に従って決定される、請求項２１に記載のバッテリ。
25. 前記バッテリの電流を検出するように構成されたセンサをさらに含み、前記セパレータの選択的な位置付けが、第１の電流と第２の電流との間の差に従って決定され、前記第１の電流が前記カソードと前記セパレータとの間のものであり、前記第２の電流が前記アノードと前記セパレータとの間のものである、請求項２１に記載のバッテリ。
26. 前記バッテリが、前記カソード、前記アノード、および前記セパレータを収納するように構成されたケースを更に含み、前記センサが前記ケースの内部にまたは前記ケースの外部に配設される、請求項２４に記載のバッテリ。

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