JP6804663B2 - エネルギー蓄積デバイス - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー蓄積デバイスの容器に関する。より具体的には、本発明は、電気化学セルのための容器に関する。

電気化学セルは、製品の安全性を保証するために気を付けてパッケージする必要がある反応性のあるかつ有害な材料を備える。パッケージは、有害な材料を収容し、また、セルが充放電する際に材料の温度及び容積における変化に適応しなければならない。所望の堅牢性を有することと同様に、パッケージは、同様に、エネルギー蓄積デバイスの全体エネルギー密度を減少させないように、軽量かつ容積効率のよい必要がある。パッケージ及びパッケージの設計は、同様に、いかなる不要な抵抗をエネルギー蓄積デバイスに付与することを回避しなければならない。

エネルギー蓄積デバイスのための従来の設計及びパッケージは、エネルギー密度を増加させたセルに安全にかつ効率的に適応することが可能でない。エネルギー蓄積デバイス技術の進歩は、エネルギー密度を増加させた電気化学セルを作り出した。これにより、従来の電気化学セルと比較して充放電サイクル中の活性材料のより高い動作温度及び大きな容積変化を引き起こし得る。従来の巻回型セルを用いると、電極への電気接点の数は、電流コレクタホイルに付けられたタブの数に限定される。電流コレクタへのタブの数を増やすと、活性電極被覆のための表面積を低減させる結果となり、したがって、セル容量及びエネルギー密度を減少させる。巻回するために使用される長さを増加させた電極に結合された制限された数の接点タブは、電流経路長を増加させ、全体的なセル抵抗を増加させる。

従来の角柱のすなわち硬質ケースのセルの容器は、電気化学セルのためのより堅牢なパッケージを提供する。電極及びセパレータは、張力をかけて巻回され、電極層とセパレータとの間に圧力及び良好な接触を提供する。硬質ケースの容器における硬い性質は、サイクル中の電極の大きな容積的な膨縮を許容しない。

従来の軟質パックの角柱ポーチ状パッケージは、複数電極型配置を収容するために使用されていた。軟質パックの設計において、真空密封は、セルの構成部材を外部圧力によって互いに離れないようにすることを保証し、電極とセパレータとの間の所望の物理的接触を提供する。また、軟質パック材料の性質は、充放電サイクル中の電極の膨張に適応する。しかしながら、軟質設計は、軟質設計が容易に損傷を受けて破裂し得るので、本質的に安全でないとみなされ得、したがって、エネルギー密度の高いセルに適していない。

本発明の第１態様によれば、エネルギー蓄積デバイスが提供され、このエネルギー蓄積デバイスは、容器と、マンドレルと、少なくとも１つのセパレータ材料シートと、２以上の別個の電極と、を備え、容器が、内面を備え、マンドレルが、マンドレル面を備え、容器内に位置付けられ、それにより、マンドレル面が、内面から間隔をあけており、容器内にセルキャビティを画成し、容器が、キャビティ、マンドレル面及び内面を通過するパッケージ軸を有し、マンドレルが、パッケージ軸の方向で収縮可能であり、少なくとも１つのセパレータ材料シートが、キャビティ内に配設されてパッケージ軸に沿って複数のセパレータ層を形成し、電極は、設けられてセパレータ層それぞれ間にある空間を占める。

本発明にかかる別個の電極シート及び収縮可能なマンドレルの組合せにより、セパレータ材料内に巻回された連続的なアノード／カソード電極材料シートに依存する主な巻回型セルとは対照的に、セルが、弾性を有する保護容器内に格納された効率よく接続された高エネルギー密度電極の積層体を備えることが可能となる。このようなデバイスは、２以上の別個の陽極及び２以上の別個の陰極を備え得る。

複数のセパレータ層とセパレータ層を占める別個の電極とは、パッケージ軸に沿って配列されており、そのため、セルは、パッケージ軸とほぼ同じ方向で膨縮する。収縮可能なマンドレルは、巻回の補助として使用され得るが、より重要なことに、セパレータ層内にある電極の容積変化に適合し、十分な収縮があり電極間の安定した物理的接触を保証する一方で、充放電サイクル中に材料の膨張を吸収する。すなわち、本発明は、マンドレルの周囲に巻回される電気化学セルの構成部材に依存せず、マンドレルの主な機能は、充放電中の電極容積に応じて圧縮または膨張することによって容器の内面にセパレータ材料を当接支持すること、である。

収縮可能なマンドレルを使用することにより、エネルギー蓄積デバイスの容器内にデッドスペースを生じ得、そのため、従来の柔軟パックのセル設計で真空シールすることよりも効率的ではないように見え得る。しかしながら、硬質ケースの設計で改善した安全性は、高エネルギー密度の蓄積デバイスにとって重要である。このため、本発明は、パッケージ安全性における改善を提供しつつ、提供されるパッケージ効率の低下を若干にする。さらに、良好な接触レベルは、マンドレルを付勢することから実現され、このマンドレルは、収縮可能であり、電極材料の膨張を吸収する。好ましくは、マンドレルは、単一材料で形成されて製造コストを低減させ、容器のパッケージ軸の方向で弾性付勢されるように形付けられている。

収縮可能なマンドレルにより、システムは、２を越える高エネルギー密度電極を有することが可能となる。複数の活性材料シートの容積変化は、収縮可能なマンドレルによって吸収され得る。また、別の利点は、デバイス内の電極それぞれに接続タブを持たせることによって低全体抵抗を実現し得ること、である。結果として得られるセルは、電流コレクタを通る電流経路を短くした電極を有する。対照的に、従来の巻回型セルは、２つの連続した活性材料シートを有しており、本発明の構成よりも製造が容易かつ安価である。さらに、従来のデバイスに関する活性材料を通る電流経路長は、ずっと長く、そのため、高抵抗を有し、それにより、デバイスの効率を低減する。

このため、本発明によれば、複数の電極セルを有するデバイスが複数の電気化学セルを有することを可能とし、これら電気化学セルは、デバイスの容積パッケージまたは動作効率性を過度に損なうことなく、しっかりと格納される。

マンドレル面は、湾曲し得る。マンドレルの湾曲面は、パッケージ内で電極面にわたって均一な積重圧力を付与し得る。また、マンドレルは、マンドレルの形状に効率的に反応しかつ適合し得、デバイス内で活性材料が膨張している間における圧力の積み上げを解放する。

マンドレルは、単一面を有し、円状または弓状であり得る、あるいは、マンドレルは、第２面を有するように形付けられ得る。例えば、マンドレルの第２面は、マンドレルの横断面形状の外郭が楕円状となるように湾曲し得る。別の配置において、第２マンドレル面は、扁平であり、容器の別の内壁すなわち内面に当接し得る。あるいは、第２マンドレル面は、セパレータ材料に接触し得、収縮力を付与する。第２マンドレル面に接触するセパレータ材料は、第１マンドレル面に接触するセパレータ材料と同じでも異なっていてもよい。別個の電極をマンドレルの（１以上の）表面に沿うパッケージ軸に沿って配設したときに、特に有利である。マンドレル面は、別個の電極部分よりも大きいまたは同じ長さであり得る。これにより、膨張している電極からの収縮力をマンドレル面にわたって吸収することが可能になる。

容器の内面は、湾曲し得、それにより、容器は、ほぼ筒形状をなす。マンドレルは、マンドレルの長手方向軸が容器の長手方向軸と一致するように位置付けられ得る。この形態において、キャビティは、ほぼ管状またはパイプ状に形付けられており、（１以上の）セパレータ材料シートは、マンドレルの周囲に巻回されてキャビティを充填する。この形態において、デバイスは、比較的組み立てやすい。しかしながら、（１以上の）セパレータ材料シートの螺旋及びセパレータ層それぞれにおける寸法の差に起因して、電極の寸法は、マンドレルから離間してパッケージ軸に沿って増加する。

別の形態において、容器は、装置が内面の反対側にある第２内面を備えるように形付けられ得る。例えば、容器は、対向する内面が湾曲した立方体または直方体の形状であり得る。この別の形態において、パッケージ軸は、内面から第２内面まで容器を通過し、マンドレルは、パッケージ軸に沿って位置付けられて第２キャビティを形成する。マンドレルは、容器の全幅または容器の十分な幅にわたって延在し得、内部空間を２つのキャビティに分割する。少なくとも１つのセパレータ材料シートは、第２キャビティ内に配設され、パッケージ軸に沿って複数の第２セパレータ層を形成し、１以上の電極は、第２セパレータ層間に設けられる。さらに、この形態において、マンドレルの周囲における（１以上の）セパレータ材料シートの配置は、複数の形態を取り得る。例えば、セパレータ材料シートは、マンドレルの周囲に巻回され得る、または、セパレータ材料シートは、キャビティ内で折り畳まれ得る。いずれの場合においても、別個の電極によって占められ得る複数のセパレータ層が形成される。１を越えるキャビティがある場合、少なくとも１つのセパレータ材料シートは、キャビティそれぞれに設けられ得る。さらに、複数の別個のセパレータ材料シートは、キャビティそれぞれに設けられ得る。１を越えるセパレータ材料シートを有することにより、１以上のキャビティ内に異なるパッケージ配置が可能となり、同様に、デバイスの一部内にある電極またはセパレータの損傷を隔離し得ることを意味する。

容器の内面及び／または第２内面は、凹面であり得る。マンドレル面を向く面を湾曲させることにより、キャビティ内にあるセルにより均一に圧力がかかり得る。これにより、電極及びセパレータ材料の幅にわたって電極とセパレータ材料との間に均一な圧力を付与し、セルの効率を改善する。

マンドレルは、パッケージ軸に沿って中心に位置付けられており、それにより、セパレータ層及び第２セパレータ層（及びそれ自体に占める電極）は、マンドレルの周囲に対称に配設される。

本発明をより良好に理解するために、かつ、本発明をどのように実施しうるかをより明確に示すために、以下の図面を参照しながら、例として、本発明を説明する。

本発明のエネルギー蓄積デバイスを示す概略分解図である。 エネルギー蓄積デバイス内にあるセパレータ材料及びマンドレルの別のレイアウトを示す概略図である。 エネルギー蓄積デバイス内にあるセパレータ材料及びマンドレルの別のレイアウトを示す概略図である。 エネルギー蓄積デバイス内にあるセパレータ材料及びマンドレルの別のレイアウトを示す概略図である。 エネルギー蓄積デバイス内にあるセパレータ材料及びマンドレルの別のレイアウトを示す概略図である。 本発明の別の実施形態にかかるエネルギー蓄積デバイスを示す概略図である。 本発明の別の実施形態にかかるエネルギー蓄積デバイスを示す概略図である。 本発明の別の実施形態にかかるエネルギー蓄積デバイスを示す概略図である。 別の容器形状のアレイを示す概略図である。 別の容器形状のアレイを示す概略図である。

図１は、エネルギー蓄積デバイス１を示しており、このエネルギー蓄積デバイスは、容器２、収縮可能なマンドレル３、セパレータ材料４及び別個の電極５を備える。容器２は、共にエネルギー蓄積デバイス１の材料を形成する筐体６、ベース７及びキャップ８を有する。筐体６は、堅牢な材料で形成されており、外部物質がデバイス１を貫通するまたは破裂させることを回避する。筐体６は、深絞り加工／圧延加工／形状加工されており、それにより、電気化学セルの構成部材、すなわち収縮可能なマンドレル３、セパレータ材料４及び電極５を保持するための内部空間９を形成する。筐体６は、空間９を向く内面１０を有する。ベース７及びキャップ８は、筐体６の開口端部を覆うように設けられており、電気化学セルの構成部材３、４、５を包囲する。ベース７及びキャップ８を筐体６とは別の部品として示しているが、筐体６が事前に形成されたベース７及びキャップ８を有し得るまたはベース及びキャップに取り付けられ得ることを想定可能である。

マンドレル３は、第１マンドレル面１１と、腕体１３によって接続された第２マンドレル面１２と、を有する。マンドレル３は、プラスチックまたは金属のような柔軟な材料からなる単一片から形成されている。マンドレル３の横断面は、概してＳ字形状を有しており、その外郭は、楕円状である。マンドレル３は、Ｓ字形状に垂直な長手方向軸Ｌを有しており、このＳ字形状は、湾曲面１１、１２及び腕体１３によって形成されている。マンドレル３は、その長手方向軸Ｌに沿って延在しており、そのため、マンドレルは、長さについて、容器２と同様である。マンドレル３の全体横断面形状は、マンドレルの長手方向軸Ｌの全長に沿って同じである。

マンドレル３は、マンドレルを容器２の内部空間９内に配置し得るように形成されている。マンドレル３を内部空間９内に位置付けると、キャビティ９ａは、マンドレル面１１、１２と容器２の内面１０との間に残る。マンドレル３の形状に起因して、中空デッドスペースの柱は、マンドレル面１１、１２と腕体１３との間に存在し、長手方向軸Ｌに沿って延在する。中空柱は、マンドレル３のための空間が折り畳むことを可能とし、また、電気化学セルの構成部材３、４、５を容器２内に配置したときにベース７の少なくとも一部への溶接のためのアクセスを提供する。

マンドレル３は、パッケージ軸Ｐの方向で収縮可能であり、このパッケージ軸は、セパレータ材料４に関して後述する。一般に、マンドレル３は、マンドレルの横断面のほぼ楕円状の外郭がサイズにおいて減少するように、収縮し得るかつ／または変形し得る。マンドレル３が占める空間９の容積は、マンドレル３が収縮するにしたがって減少する。さらに、マンドレル面１１、１２は、外部圧力を受けて変形し得、そのため、湾曲部または円弧部は、表面にかかる収縮力に従って変化し得る。

図１に示すようなセパレータ材料４は、電子的に絶縁する多孔性材料の連続シートである。セパレータ材料４は、巻かれて容器２とマンドレル３との間のキャビティ９ａ内に位置付けられている。セパレータ材料４は、巻回軸Ｗ回りでマンドレル３の周囲に巻回されており、この巻回軸は、電気化学セルの容器２が容器の完全な形態にあるときにマンドレル３の長手方向軸と重なる。セパレータ材料シート４を巻回軸Ｗ回りに巻回すると、複数層のセパレータ材料は、セパレータ材料自体に巻き付くにつれて形成される。完全なエネルギー蓄積デバイス１において、セパレータ材料４は、容器２内に配設されており、パッケージ軸Ｐに沿って配置された複数のセパレータ層を形成する。これにより、セパレータ材料の層４間に空間１４を形成し、これら空間には、電極が占める。

電極５は、巻回したセパレータ材料４の空間１４内においてパッケージ軸Ｐに沿って位置付けられている。簡素化のため、２つの電極５のみ（１つのアノード及び１つのカソードがセパレータ材料４と共にセルを形成する）を図１に示す。しかしながら、本発明にかかる電気化学セルの容器２は、多数の電極５を収容し得、複数の電気化学セルを形成する。

電極５それぞれは、タブ１５ａ、１５ｂを備えており、これらタブは、ベース７及びキャップ８の内面に固定され得る。タブ１５ａ、１５ｂを電極５それぞれに設けることによって、電極５それぞれの電流経路長を低減し、セルの内部抵抗を減少させる。

セルが充放電する際、電極５は、膨縮し得る。電極５が膨張して内部空間９内の容積をより多く占めると、マンドレル３は、収縮する。同様に、電極が圧縮すると、マンドレル３は、膨張して容積を再度占めつつ、セパレータ材料４と電極５との間でパッケージ軸Ｐに沿って一定の収縮力をかける。湾曲したマンドレル面１１、１２は、電極５の表面にわたって均一な圧力を維持することを保証する。

本発明の範囲内にある様々な代替の電気化学セルの容器２の配置を概略的に図２ａから図２ｄに示す。電気化学セルの容器２は、マンドレル３の長手方向軸Ｌに沿う断面で示されており、簡素化のために電極５を示していない。電気化学セルの容器２それぞれは、正方形の容器２として過剰に簡素化した態様で示されている。しかしながら、当然ながら、セパレータ材料４は、湾曲して、容器２の内部空間９を占める。

図２ａにおいて、２つのセパレータ材料シート４は、マンドレル３の周囲に巻回されている。マンドレル３は、セパレータ材料４の巻回軸Ｗに沿って位置付けられている。セパレータ材料シート４は、マンドレル３の長手方向軸Ｌ回りで同軸である。複数の層１４は、電極５を収容するために巻回したセパレータ材料４の層間に設けられている。電極５は、パッケージ軸Ｐに沿って配列されている。

図２ｂにおいて、マンドレル３には、単一の湾曲面１１が設けられている。マンドレル腕体１３は、容器２の内面１０に当接して置かれている。１つのセパレータ材料シート４は、内部空間９内に設けられており、巻回軸Ｗ回りに巻回されている。巻回軸Ｗは、マンドレル３の長手方向軸Ｌと重なっていない。別個の層１４は、電極を収容するためにセパレータ材料４のロール体で設けられている。電極５は、パッケージ軸Ｐに沿って配列されている。

図２ｃ及び図２ｄは、本発明のさらなる代替を示しており、これら図において、セパレータ材料シート４のロール体または折畳体は、マンドレル３の周囲にあるキャビティ９ａに位置付けられており、セパレータ４は、マンドレル３の周囲に巻回されていない。図２ｃにおけるデバイスは、キャビティ９ａそれぞれにおいて２つの巻いたセパレータ材料シート４を備える。図２ｄにおいて、複数のセパレータ材料シート４は、キャビティ９ａ内に折り畳まれている。電極５は、セパレータ材料４の螺旋状層または折畳体内に配置され得る。これら場合において、マンドレル３は、単に、デバイス１内にある電極５の膨張を吸収するように機能しており、材料４、５をその周囲に巻回するためのボビンを形成しない。

図１における容器２は、筒状として示されているが、同様に、任意の多角柱状のセルの形状を形成し得る。本発明のデバイス１における横断面の概略図を図３ａから図３ｃに示す。単に図面を簡素化するために、キャビティ９ａ内にある連続したロール状シートに替えて同心状のリングとしてセパレータ材料４の層を示す。電極５を破線として概略的に示し、巻いたセパレータ材料シート４間にある層１４内のどこかに位置付けられ得る。図３ａは、図１の完全なデバイス１の簡略化した横断面図を示す。内面１０は、１つの連続面であり、マンドレル面１１、１２は、同じ内面１０の異なる領域を向く。

図３ｂは、ほぼ直方体状の容器２を有するデバイス１を示しており、マンドレル面１１、１２を向く内面は、凹面である。セパレータ材料４は、折り畳まれており、または、巻回されており、それにより、マンドレル面１１、１２と容器２の内面１０との間のキャビティ９ｂを充填する。セパレータ材料４は、パッケージ軸Ｐに沿って層１４を設けるように構成されており、これら層には、電極５が詰まっている。凹状内面１０の曲率は、マンドレル面１１、１２の曲率と同様であり、それにより、均一な圧力をセパレータ材料４の層１４内にある電極５の表面にわたってかける。

図３ｃは、ほぼ直平行六面体状の容器２を有するデバイス１を示しており、デバイス１は、電気化学セルが充填された１つのみのキャビティ９ａを有する。マンドレル面１１を向く内面１０は、凹面である。セパレータ材料４は、折り畳まれており、または、巻回されており、それにより、マンドレル面１１、１２と容器２の内面１０との間のキャビティ９ｃを充填する。セパレータ材料４は、パッケージ軸Ｐに沿って層１４を設けるように構成されており、これら層には、電極５が詰まっている。凹状内面１０の曲率は、マンドレル面１１、１２の曲率と同様であり、それにより、均一な圧力をセパレータ材料４の層１４内にある電極５の表面にわたってかける。

図３ａから図３ｃに示す例において、外部筐体の曲率は、内面１０の凹状と一致しており、外部筐体は、外部の直平行六面体状を設けるように扁平にされ得る。しかしながら、筐体６の曲率を維持するのに有益であり得る。

図４ａ及び図４ｂは、図３ｂ及び図３ｃにかかるエネルギー蓄積デバイス１のアレイを各別に示す。筐体６の曲率は、アレイに配設したときに容器２間の間隙１６を可能とする。湾曲した筐体６は、隣接する容器２間の物理的接触を低減することを保証する。空気のような流体は、容器２間の間隙１６内に供給され得る。容器２間の接触を低減することにより、隣接するデバイス１間に発生する熱移送を低くすることを保証する。また、流体は、容器のアレイにわたって自由に流動し、デバイス１内のセルから放出される過剰な熱を除去する冷却剤として機能する。

１ エネルギー蓄積デバイス、２ 容器、３ マンドレル、４ セパレータ材料シート、５ 電極、９ 内部空間、９ａ，９ｂ，９ｃ キャビティ、
１０ 凹状内面、１１ 第１マンドレル面，湾曲面、１２ 第２マンドレル面，湾曲面

Claims (12)

1. 容器と、マンドレルと、少なくとも１つのセパレータ材料シートと、２以上の別個の電極と、を備えるエネルギー蓄積デバイスであって、
   前記容器が、内面を備え、
   前記マンドレルが、マンドレル面を備え、前記容器内に位置付けられ、それにより、前記マンドレル面が、前記内面から間隔をあけており、前記容器内にセルキャビティを画成し、
   前記容器が、前記キャビティ、前記マンドレル面及び前記内面を通過するパッケージ軸を有し、
   前記マンドレルが、前記パッケージ軸の方向で収縮可能であり、少なくとも１つの前記セパレータ材料シートが、前記キャビティ内に配設されて前記パッケージ軸に沿って複数のセパレータ層を設け、電極が設けられて前記セパレータ層それぞれ間にある空間を占めることを特徴とするエネルギー蓄積デバイス。
2. 当該エネルギー蓄積デバイスが、２以上の別個の陽極と、２以上の別個の陰極と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー蓄積デバイス。
3. 前記マンドレル面が、湾曲していることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー蓄積デバイス。
4. 前記マンドレルが、第２マンドレル面を有することを特徴とする請求項３に記載のエネルギー蓄積デバイス。
5. 前記第２マンドレル面が、同様に湾曲しており、それにより、前記マンドレルの横断面形状が、楕円状であることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー蓄積デバイス。
6. 少なくとも１つの前記セパレータ材料シートが、前記マンドレルの周囲に巻回されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエネルギー蓄積デバイス。
7. 前記内面が、湾曲していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエネルギー蓄積デバイス。
8. 前記容器が、前記内面の反対側に配置された第２内面を備え、
   前記パッケージ軸が、前記内面から前記第２内面まで前記容器を通過し、
   前記マンドレルが、前記パッケージ軸に沿って位置付けられ、第２キャビティを設け、
   少なくとも１つの前記セパレータ材料シートが、前記第２キャビティ内に配設され、前記パッケージ軸に沿って複数の第２セパレータ層を設け、１以上の電極が、前記第２セパレータ層間に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のエネルギー蓄積デバイス。
9. 前記内面及び／または前記第２内面が、凹面であることを特徴とする請求項８に記載のエネルギー蓄積デバイス。
10. 前記マンドレルが、前記パッケージ軸に沿って中心に位置付けられており、それにより、前記セパレータ層及び前記第２セパレータ層が、前記マンドレルの回りに対称に配設されていることを特徴とする請求項８または９に記載のエネルギー蓄積デバイス。
11. 少なくとも１つの前記セパレータ材料シートが、前記キャビティそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載のエネルギー蓄積デバイス。
12. 前記キャビティそれぞれが、複数の前記セパレータ材料シートを備えることを特徴とする請求項１１に記載のエネルギー蓄積デバイス。

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