JP2002015725A - 二重スクリーンサンドイッチカソード付きセルのための効率的セルスタック - Google Patents

二重スクリーンサンドイッチカソード付きセルのための効率的セルスタック

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】リチウム電気化学セルの容積効率を改善し、心
臓細動除去装置等の埋め込み型医療器具に電力を供給す
ることができる新しい電極アセンブリーを提供する。 【解決手段】ａ）第１及び第２のカソード集積体７２，
７４の間にサンドイッチされた第１のカソード活性材料
７６と、第１の活性材料に対向する第１及び第２のカソ
ード集積体に接触した第２のカソード活性材料７８とを
有する第１のカソード構造６４と、ｂ）第１のアノード
集積体７０の対向する側に接触した第１のアノード構造
６２と、ｃ）第３のカソード集積体８２に接触した第３
のカソード活性材料７６と、第４のカソード活性材料７
８とを有した第２のカソード構造８０と、ｄ）アノード
とカソードを活性化する非水性電解質、とを含む電気化
学セル。なお第１のカソード活性材料は比較的高エネル
ギー密度ではあるが比較的低電流性能な活性材料であ
り、第２のカソード活性材料はその逆の活性材料であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】（関連出願へのクロスリファレンス）本発
明は、２０００年５月１６日出願の暫定出願シリアル番
号６０／２０４，４７７に基づく優先権を主張する。
【０００２】（技術分野）本発明は化学エネルギーの電
気エネルギーへの転換に関する。特に、本発明は、二重
スクリーンサンドイッチカソードを含むプリズム状のセ
ルスタック等の細動除去装置セルのデザインに関する。
二重スクリーンサンドイッチカソード電極は、サンドイ
ッチカソード電極と名付けられる新規なカソード配置に
基づく。サンドイッチカソード電極の構造は、以下で詳
細に説明され、並びに本発明の二重スクリーンサンドイ
ッチカソード電極とどのように異なるかが説明される。
【０００３】（背景技術）埋め込み型心室心臓細動除去
装置は、通常、リチウム／銀バナジウム酸化物（Ｌｉ／
ＳＶＯ）電気化学セルをその電源として使用する。埋め
込み型医療器具それ自身については、この器具は、サイ
ズが比較的小さく、患者の医療上の要請への応答が迅速
であり、長期の器具の使用寿命を促進することが好まし
い。それゆえ、埋め込み型医療用途としてセルを組み立
てる場合、これらの要求のすべてに合わせるために、特
別な電極アセンブリーデザインが必要とされる。加え
て、心臓細動除去装置を駆動するセルについては、必要
とされる出力性能を提供するために、大きな電極表面積
が必要とされる。最小容積で最高容量を得るためには、
効率的なセルパッケージも必要とされる。
【０００４】Ｌｉ／ＳＶＯセル用の慣用の電極アセンブ
リーにおいては、カソード活性材料は、箔またはスクリ
ーンカソード集電体の両側にプレス、コートあるいは他
の方法で接触されて、カソード電極とされる。アノード
活性材料としての箔の形のリチウムは、アノード集電体
の両側にプレスされて、アノード電極を形成する。次
に、アノード及びカソード電極が１層あるいは２層の中
間のセパレーター材料と共に相互に向き合って配置され
る。最終の電極アセンブリーは、通常、プリズム状のプ
レートデザインまたはジェリーロールデザインの形であ
る。慣用のプリズム状のプレートデザインの例は、Ｐｏ
ｓｔらへの米国特許第５，１４７，７３７号に記述され
ている。慣用のジェリーロールデザインの例は、Ｈｏｗ
ａｒｄらへの米国特許第５，４３９，７６０号に記述さ
れている。
【０００５】この点を更に図示するために、図１は、慣
用のプリズム状のプレートデザインまたは慣用のジェリ
ーロールデザインの電極アセンブリー１０の詳細断面図
を示す。電極アセンブリー１０は、セパレーターシート
１６により、相互に物理的に隔離されたアノード電極１
２とカソード電極１４を含む。アノード電極１２は、ア
ノード集電体２０の少なくとも一つの側に接触した、リ
チウム等のアノード活性材料１８を含む。同様に、カソ
ード電極１４は、カソード集電体２４の少なくとも一つ
の側に接触した、ＳＶＯまたはＣＦx 等のカソード活性
材料２２を含む。プリズム状のプレートまたはジェリー
ロール配置であれ、セルは、通常、ケース−負極の配置
で組み立てられ、アノード集電体２０がアノードまたは
負極ターミナルとしてケース（図示せず）と接触する最
外側位置を有する。このカソード電極は、当業者にはよ
く知られているように、ガラス−金属シールによりケー
スから絶縁されたターミナルリード（図示せず）と接触
する。
【０００６】プリズム状配置におけるプレートの数、ま
たはジェリーロールセルにおける折り曲げの数に依っ
て、慣用の電極アセンブリー１０は、アノード電極１２
とカソード電極１４のｎの繰り返し単位を有することが
できる。これは図１に示され、ここではｎ＝０、１、
２、３、４、５などである。
【０００７】本発明の譲受人に帰属され、ここには引用
により入れられている、２０００年４月２７日に出願の
米国特許出願シリアル番号０９／５６０、０６０は、細
動除去装置用途用のサンドイッチカソード電極デザイン
を記述している。このサンドイッチカソード電極デザイ
ンは、慣用のプリズム状及びジェリーロールの電極アセ
ンブリーに優るパイオニア的改良であると考えられる。
このサンドイッチカソード電極デザインにおいては、カ
ソード電極は、２つの区分された、異なるカソード活性
材料と２つのカソード集電体を用いて製造される。第１
のカソード活性材料は、この２つの集電体の間にサンド
イッチされ、このアセンブリーは、次に、第２のカソー
ド活性材料の２つの層の間にサンドイッチされる。
【０００８】サンドイッチカソード電極アセンブリーの
断面図は図２に示される。この図は、セパレーターシー
ト３６により相互に隔離された、アノード電極３２とカ
ソード電極３４を含む電極アセンブリー３０を示す。こ
のアノード電極は、ニッケル等のアノード集電体４０の
少なくとも一つの側に接触したリチウム等のアノード活
性材料３８を含む。この点で、電極アセンブリー３０の
アノード電極３２は、図１に関して述べられたアノード
電極と同一である。
【０００９】電極アセンブリー３０は、間に第１のカソ
ード活性材料４６をサンドイッチされた間隔をあけたカ
ソード集電体４２と４４を有するサンドイッチカソード
電極３４を更に含む。カソード活性材料４６は、比較的
高エネルギー密度であるが、比較的低電流性能のもので
ある。第２のカソード活性材料４８は、第１のカソード
活性材料４６のそれと異なり、集電体４２、４４の対向
する側に接触している。第２のカソード活性材料は、比
較的低エネルギー密度であるが、比較的高電流性能のも
のである。この電極アセンブリーは、サンドイッチカソ
ード電極を有する電気化学セルにとって基本的な構造で
ある。図１に示される電極アセンブリーの場合のよう
に、電極アセンブリー３０は、通常、ケース−負極のデ
ザインで組み立てられる。
【００１０】このサンドイッチカソードの電極デザイン
は、慣用のプリズム状及びジェリーロールカソード電極
デザインと全く異なるので、慣用のセル用の最も効率的
な電極アセンブリーは、サンドイッチカソード電極付き
のセルに最も効率的なアセンブリーではない。この理由
で、本発明は、サンドイッチカソード電極を半二重スク
リーンサンドイッチカソード電極と組み合わせてセルス
タック部材として使用する新しい効率的なセルスタック
デザインを開示する。サンドイッチカソード電極デザイ
ンに基づくこの新しい電極アセンブリーは、二重スクリ
ーンサンドイッチカソード電極デザインと名付けられ
る。
【００１１】（発明の開示）本発明は、サンドイッチカ
ソードデザインに基づく新しい電極アセンブリーを提供
することにより、リチウム電気化学セルの性能を改善す
る。本発明は、二重スクリーンサンドイッチカソード電
極デザインと名付けられる。心臓細動除去装置等の埋め
込み型医療器具に電力を供給し、二重スクリーンサンド
イッチカソード電極を利用するセルは、改善された容積
効率を有する。特に、本発明は、プリズム状のプレート
あるいは渦巻き様の電極アセンブリーで２つの半二重ス
クリーンサンドイッチカソード電極の間にサンドイッチ
されたサンドイッチカソード電極を使用する。ジェリー
ロール電極アセンブリーにおいては、セルは、ケース−
正極のデザインで提供され、電極アセンブリーの外側部
分は、半二重スクリーンサンドイッチカソード電極であ
る。
【００１２】当業者には、本発明のこれらの目的及び他
の目的は、次の説明を参照することにより益々明白にな
るであろう。
【００１３】（好ましい実施形態の詳細な説明）本発明
による二重スクリーンサンドイッチカソード電極デザイ
ンを有する電気化学セルは、埋め込み型医療器具用の好
適な電源であるためには、充分なエネルギー密度と放電
容量を有しなければならない。このようなセルは、元素
の周期律表のＩＡ、ＩＩＡ及びＩＩＩＢ族から選ばれる
金属のアノードを含む。これらのアノード活性材料は、
リチウム、ナトリウム、カリウムなど、及び例えば、Ｌ
ｉ−Ｓｉ、Ｌｉ−Ａｌ、Ｌｉ−Ｂ及びＬｉ−Ｓｉ−Ｂ合
金と金属間化合物を含むこれらの合金と金属間化合物を
含む。好ましいアノードはリチウムを含む。代替のアノ
ードは、リチウム−アルミニウム合金等のリチウム合金
を含む。合金中に存在するアルミニウムの重量が多い
程、セルのエネルギー密度は低い。
【００１４】アノードの形状は変わってもよいが、アノ
ードは、好ましくはチタン、チタン合金またはニッケル
からなる金属性アノード集電体上にプレスあるいはロー
ルされ、アノード部材が形成される、アノード金属の薄
い金属シートまたは箔である。銅、タングステン及びタ
ンタルもアノード集電体に好適な材料である。本発明の
例示のセルにおいては、アノード部材は、溶接等により
一体成形された、あるいは電導性金属のセルケース溶接
体によりケース−負極の電気的配置で接触した、アノー
ド集電体と同一材料、好ましくはニッケルまたはチタン
の長いタブまたはリードを有する。あるいは、このアノ
ードは、ボビン型、円筒または代替の低表面セルデザイ
ンを可能にするペレット等のいくつかの他形状に形成さ
れてもよい。
【００１５】本発明の電気化学セルは、セルのもう一方
の電極として機能する、電気伝導性の材料のカソードを
更に含む。カソードは、好ましくは固体材料であり、カ
ソードでの電気化学反応は、アノードからカソードへ移
動するイオンの原子あるいは分子の形への変換を含む。
固体カソードは、金属元素、金属酸化物、混合金属酸化
物及び金属硫化物、及びこれらの組み合わせの第１の活
性材料と炭素化合物の第２の活性材料を含んでいてもよ
い。第１の活性材料の金属酸化物、混合金属酸化物及び
金属硫化物は、第２の活性材料よりも比較的低いエネル
ギー密度を有するが、比較的高い電流性能を有する。
【００１６】第１の活性材料は、好ましくは、混合状態
での熱処理、ゾル−ゲル生成、化学蒸着または水熱合成
時における、種々の金属酸化物、金属硫化物及び／また
は金属元素の化学的な添加、反応、または他の緊密な接
触により形成される。これにより製造される活性材料
は、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＥ、
ＶＩｌＢ、及び貴金属を含むＶＩＩＩ族の金属、酸化物
及び硫化物及び／または他の酸化物及び硫化物化合物を
含む。好ましいカソード活性材料は、少なくとも銀とバ
ナジウムの反応生成物である。
【００１７】一つの好ましい混合金属酸化物は、一般式
ＳＭx Ｖ2 Ｏy を有する遷移金属酸化物である。式中、
ＳＭは元素の周期律表のＩＢからＶＩＩＢ及びＶＩＩＩ
族の金属であり、ｘは一般式において約０．３０から
２．０であり、ｙは約４．５から６．０である。例示で
あり、制約の意図ではないが、一つの例示のカソード活
性材料は、その多数の相のいずれか一つである一般式Ａ
ｇx Ｖ2 Ｏy を有する銀バナジウム酸化物、すなわち、
一般式においてｘ＝０．３５とｙ＝５．８を有するβ−
相銀バナジウム酸化物、一般式においてｘ＝０．８０と
ｙ＝５．４０を有するγ−相銀バナジウム酸化物、及び
一般式においてｘ＝１．０とｙ＝５．５を有するε−相
銀バナジウム酸化物、及びこれらの相の組み合わせと混
合物を含む。このようなカソード活性材料の更に詳細な
記述としては、本発明の譲受人に帰属され、ここには引
用により入れられているＬｉａｎｇらへの米国特許第
４，３１０，６０９号を引用する。
【００１８】もう一つの好ましい複合の遷移金属酸化物
カソード活性材料は、一般式Ｃｕx Ａｇy Ｖ2 Ｏz を有
する銅銀バナジウム酸化物（ＣＳＶＯ）である。この活
性材料はＶ2 Ｏz を含む。式中、銀（ＩＩ）、銀（Ｉ）
または銀（０）の酸化状態の銀のＡｇ2 Ｏと銅（Ｉ
Ｉ）、銅（Ｉ）または銅（０）の酸化状態の銅のＣｕＯ
と組み合わされ、ｚ≦５である。このように、この複合
カソード活性材料は、金属酸化物−金属酸化物−金属酸
化物、金属−金属酸化物−金属酸化物、または金属−金
属−金属酸化物と記述されてもよく、Ｃｕx Ａｇy Ｖ2
Ｏz に見られる材料組成の範囲は、好ましくは約０．０
１≦ｚ≦６．５である。ＣＳＶＯの通常の形は、ｚが約
５．５であるＣｕ0.16Ａｇ0.67Ｖ2 Ｏz であり、ｚが約
５．７５であるＣｕ0.5 Ａｇ0.5 Ｖ2 Ｏz である。カソ
ード材料が空気または酸素等の酸化性雰囲気中で製造さ
れたか、あるいはアルゴン、窒素及びヘリウム等の不活
性雰囲気中で製造されたかに依って、ＣＳＶＯ中の酸素
の厳密な化学量論的比率は変わり得るので、この酸素含
量はｚで表される。このようなカソード活性材料の更に
詳細な記述としては、本発明の譲受人に帰属され、ここ
には引用により入れられているＴａｋｅｕｃｈｉらへの
米国特許第５，４７２，８１０号及びＴａｋｅｕｃｈｉ
らへの第５，５１６，３４０号を引用する。
【００１９】本発明のサンドイッチカソードデザイン
は、第１のカソード活性材料と比較して比較的高エネル
ギー密度と比較的低電流性能の第２の活性材料を更に含
む。第２の活性材料は、コークス、木炭または活性炭等
の炭素のグラファイト性及び非グラファイト性の形を含
む、好ましくは炭素とフッ素から製造される炭素性化合
物である。フッ素化炭素は式（ＣＦx ）n 、及び（Ｃ2
Ｆ）n により表される。式中、ｘは約０．１と１．９の
間で、好ましくは約０．５と１．２の間で変わり、ｎは
モノマー単位の数を指し、広く変わり得る。
【００２０】広い意味では、本発明の範囲によれば、第
１のカソード活性材料は、第２のカソード活性材料より
も比較的低エネルギー密度を有するが、比較的高電流性
能を有するいかなる材料であってもよいと考えられる。
銀バナジウム酸化物と銅銀バナジウム酸化物に加えて、
Ｖ2 Ｏ5 、ＭｎＯ2 、ＬｉＣｏＯ2 、ＬｉＮｉＯ2 、Ｌ
ｉＭｎ2 Ｏ4 、ＴｉＳ2 、Ｃｕ2 Ｓ、ＦｅＳ、ＦｅＳ
2 、銅酸化物、銅バナジウム酸化物、及びこれらの混合
物は第１の活性材料として有用であり、フッ素化炭素に
加えて、Ａｇ2 Ｏ、Ａｇ2 Ｏ2 、ＣｕＦ2 、Ａｇ2 Ｃｒ
Ｏ4 、ＭｎＯ2 及びＳＶＯそれ自身すら、第２の活性材
料として有用である。
【００２１】本発明の電気化学セル中に入れるために二
重スクリーンサンドイッチ電極に加工する前に、上記の
ように製造された第１及び第２のカソード活性材料は、
好ましくはカソード混合物の約１から約５重量パーセン
トで存在する、粉末化フルオロポリマー、更に好ましく
は粉末化ポリテトラフルオロエチレンまたは粉末化ポリ
ビニリデンフルオライド等のバインダー材料と混合され
る。更には、電導性を改善するために、約１０重量パー
セント迄の電導性希釈剤が好ましくはカソード混合物に
添加される。この目的に好適な材料は、アセチレンブラ
ック、カーボンブラック及び／またはグラファイトまた
は粉末化ニッケル、アルミニウム、チタン及びステンレ
ススチール等の金属性粉末を含む。好ましいカソード活
性混合物は、このように約３重量パーセントで存在する
粉末化フルオロポリマーバインダー、約３重量パーセン
トで存在する電導性希釈剤及び約９４重量パーセントの
カソード活性材料を含む。
【００２２】本発明の電気化学セルに入れるためのカソ
ード部材は、ステンレススチール、チタン、タンタル、
白金、金、アルミニウム、コバルトニッケル合金、ニッ
ケル含有合金、モリブデンとクロムを含有する高合金化
フェライト性ステンレススチール、及びニッケル−、ク
ロム−及びモリブデン−含有合金からなる群から選ばれ
る好適な集電体の上に第１及び第２のカソード活性材料
をロール、打ち延べあるいはプレスすることにより製造
されてもよい。好ましい集電体材料は、チタンであり、
最も好ましくはチタンカソード集電体は、それに施され
たグラファイト／炭素材料、イリジウム、イリジウム酸
化物または白金の薄い層を有する。上述のように製造さ
れたカソードは、アノード材料の少なくとも一つあるい
はそれ以上のプレートと動作的に関係した一つあるいは
それ以上のプレートの形、または「ジェリーロール」に
類似した構造でアノード材料の対応するストリップと共
に巻かれたストリップの形であってよい。
【００２３】内部短絡条件を防止するために、このサン
ドイッチカソードは、好適なセパレーター材料によりＩ
Ａ、ＩＩＡまたはＩＩＩＢ族のアノードから分離され
る。このセパレーターは電気絶縁性材料であり、セパレ
ーター材料は、また、アノード及びカソード活性材料と
化学的に非反応性であり、双方は、電解質と化学的に非
反応性であり、不溶である。加えて、セパレーター材料
は、セルの電気化学反応時に通過する電解質の流れを可
能にするのに充分な多孔性を有する。例示としてのセパ
レーター材料は、ポリビニリデンフルオライド、ポリエ
チレンテトラフルオロエチレン、及びポリエチレンクロ
ロトリフルオロエチレンを含むフルオロポリマーファイ
バーから織られた布であって、単独で使用されるもの
を、あるいはフルオロポリマー微小多孔性フィルム、不
織ガラス、ポリプロピレン、ポリエチレン、ガラスファ
イバー材料、セラミックス、ＺＩＴＥＸ（Ｃｈｅｍｐｌ
ａｓｔＩｎｃ．）の名称で市販されているポリテトラフ
ルオロエチレン膜、ＣＥＬＧＡＲＤ（Ｃｅｌａｎｅｓｅ
Ｐｌａｓｔｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｉｎｃ．）の名称
で市販されているポリプロピレン膜、及びＤＥＸＩＧＬ
ＡＳ（Ｃ．Ｈ．Ｄｅｘｔｅｒ、Ｄｉｖ．、Ｄｅｘｔｅｒ
Ｃｏｒｐ．）の名称で市販されている膜とラミネーシ
ョンされたものを含む。
【００２４】図３は、アノード電極６２とセパレーター
シート６６により相互に隔離されたサンドイッチカソー
ド電極６４を含む、二重スクリーンサンドイッチカソー
ド電極アセンブリー６０の詳細断面図を示す。アノード
電極６２は、アノード集電体７０の少なくとも一つの側
に接続した、リチウム等のアノード活性材料６８を含
む。サンドイッチカソード電極６４は、図２に示される
サンドイッチカソード電極３４と同一であり、間に第１
のカソード活性材料７６を有する間隔をあけたカソード
集電体７２と７４を含む。図２の電極のように、カソー
ド活性材料７６は、比較的高エネルギー密度であるが、
比較的低電流性能のものである。第２のカソード活性材
料７８は、第１のカソード活性材料７６のそれと異な
り、集電体７２、７４の対向する側に接触する。第２の
カソード活性材料７８は、比較的低エネルギー密度であ
るが、比較的高電流性能のものである。
【００２５】それゆえ、一つの例示としてのサンドイッ
チカソード電極デザインは、次の配置を有する： ＳＶＯ／集電体／ＣＦx ／集電体／ＳＶＯ
【００２６】もう一つのサンドイッチカソード電極デザ
インは、次の配置を有する： ＳＶＯ／集電体／ＳＶＯ／ＣＦx ／ＳＶＯ／集電体／Ｓ
ＶＯ
【００２７】二重スクリーンサンドイッチカソード電極
アセンブリー６０は、少なくとも半分の二重スクリーン
サンドイッチカソード８０を更に含む。カソード８０
は、その一つの側に接続した第３のカソード活性材料７
６と集電体のもう一方の側に接続した第４のカソード活
性材料７８とを有する、カソード集電体８２を含む。好
ましくは、第３のカソード活性材料７６は、比較的高エ
ネルギー密度であるが、比較的低電流性能である一方
で、第４のカソード活性材料７８は、比較的低エネルギ
ー密度であるが、比較的高電流性能である。第４のカソ
ード活性材料７８は、アノード活性材料６８と向き合
う。好ましくは、第１及び第３のカソード活性材料は同
一であり、第２及び第４のカソード活性材料は同一であ
る。
【００２８】本発明の重要な面は、低電流性能を有する
高容量材料が好ましくは高電流カソード材料（高あるい
は低容量のいずれであっても）の２つの層の間に配設さ
れるということである。言い換えれば、例示のＣＦx 材
料は、リチウムアノードに直接に向き合うことはない。
加えて、低電流カソード材料は、第２の例示された配置
において上記に示されたように直接接触により、あるい
は上記の第１の例示された配置におけるように集電体に
よる並列接続により、高電流材料と短絡していなければ
ならない。
【００２９】前述の図２に図示されたサンドイッチカソ
ード電極アセンブリーは、次の配置を有する： ＳＶＯ／スクリーン／ＣＦx ／スクリーン／ＳＶＯ
【００３０】セル中のプレート数に依って、電極アセン
ブリー３０は、ｎのアノード電極３２とカソード電極３
４の繰り返し単位を有することができる。図２に示され
るように、ｎ＝０、１、２、３、４、５などである。こ
のセルスタックデザインにおいては、各部材に対する層
の数は次のように計算される：セパレーターの層数＝２
（２ｎ＋３）、リチウム箔の層数＝２（ｎ＋１）、アノ
ードスクリーンの数＝ｎ＋２、ＳＶＯの層数＝２（ｎ＋
１）、ＣＦx の層数＝ｎ＋１、カソードスクリーンの数
＝２（ｎ＋１）。
【００３１】図２においてｎ＝１と仮定すると、１０の
セパレーター層、４つのリチウム箔層、３つのアノード
集電体スクリーン、４つのＳＶＯ層、２つのＣＦx 層及
び４つの集電体カソードスクリーンが存在する。
【００３２】半二重スクリーンサンドイッチカソード
は、ＳＶＯ／スクリーン／ＣＦx として定義される。言
い換えれば、半二重スクリーンサンドイッチカソード
は、完全なサンドイッチカソード電極をＣＦx 層の中間
で半分に切断することにより、作られたと考えることが
できる。半二重スクリーンサンドイッチカソードの詳細
断面は、前述の図３に示されている。このセルスタック
デザインにおいては、各部材に対する層数は次のように
計算される：セパレーターの層数＝２（２ｎ＋３）、リ
チウム箔の層数＝２（ｎ＋１）、アノードスクリーンの
数＝ｎ＋１、ＳＶＯの層数＝２（ｎ＋１）、ＣＦx の層
数＝ｎ＋１、カソードスクリーンの数＝２（ｎ＋１）。
【００３３】図３においてｎ＝１と仮定すると、１０の
セパレーター層、４つのリチウム箔層、２つのアノード
集電体スクリーン、４つのＳＶＯ層、２つのＣＦx 層及
び４つの集電体カソードスクリーンが存在する。このよ
うに、図２に示されるサンドイッチカソード電極デザイ
ンを図３に示される二重スクリーンサンドイッチカソー
ド電極アセンブリーと比較すると、本発明の電極アセン
ブリーにおいて、アノード集電体スクリーンの層は、一
つ少ないことが明白である。電極アセンブリーの厚さは
各部材の厚さの合計なので、非活性部材層が少ない程、
活性部材の容積が多く、結果としてセルの容積容量が大
きい。それゆえ、二重スクリーンサンドイッチカソード
電極アセンブリーは、既知のものに比べてセルパッケー
ジ効率の改良を意味する。本発明の図３の電極アセンブ
リーを有するセルの容積エネルギー密度は、図２に示さ
れるようなサンドイッチカソード電極アセンブリーを有
するセルのエネルギー密度よりも高い。
【００３４】本発明の電気化学セルは、セルの電気化学
反応時にアノードとカソード電極の間にイオンを泳動さ
せるための媒体として機能する、非水性のイオン電導性
電解質を更に含む。電極での電気化学反応は、アノード
からカソードへ移動するイオンの原子あるいは分子の形
での変換を含む。このように、本発明に好適な非水性電
解質は、アノード及びカソード材料に実質的に不活性で
あり、イオン輸送に必要な物性、すなわち低粘度、低表
面張力及び濡れ性を示す。
【００３５】好適な電解質は、非水性溶剤に溶解した無
機の、イオン電導性塩を有し、更に好ましくは、この電
解質は、低粘性溶剤と高誘電率溶剤を含む非プロトン性
溶剤の混合物に溶解されたイオン化型アルカリ金属塩を
含む。無機の、イオン電導性塩は、アノードイオンが泳
動して、カソード活性材料とインターカレーションある
いは反応するビヒクルとして機能する。好ましくは、ア
ルカリ金属塩を形成するイオンは、アノードを構成する
アルカリ金属に類似している。
【００３６】リチウムを含むアノードの場合には、電解
質のアルカリ金属塩は、リチウムをベースとする塩であ
る。アノードからカソードへのアルカリ金属イオンの輸
送のためのビヒクルとして有用である既知のリチウム塩
は、ＬｉＰＦ6 、ＬｉＢＦ4 、ＬｉＡｓＦ6 、ＬｉＳｂ
Ｆ6 、ＬｉＣｌＯ4 、ＬｉＯ2 、ＬｉＡｌＣｌ4 、Ｌｉ
ＧａＣｌ4 、ＬｉＣ（ＳＯ2 ＣＦ3 ）3 、ＬｉＮ（ＳＯ
2 ＣＦ3 ）2 、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＯ3 ＳＣＦ3 、ＬｉＣ
6 Ｆ5 ＳＯ3 、ＬｉＯ2 ＣＣＦ3 、ＬｉＳＯ6 Ｆ、Ｌｉ
Ｂ（Ｃ6 Ｈ5 ）4 、ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 、及びこれらの混
合物を含む。
【００３７】本発明に有用である低粘性溶剤は、テトラ
ヒドロフラン（ＴＨＦ）、メチルアセテート（ＭＡ）、
ジグリム、トリグリム、テトラグリム、ジメチルカーボ
ネート（ＤＭＣ）、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭ
Ｅ）、１，２−ジエトキシエタン（ＤＥＥ）、１−エト
キシ−２−メトキシエタン（ＥＭＥ）、エチルメチルカ
ーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロ
ピルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピル
カーボネート、及びこれらの混合物等のエステル、線状
及び環状エーテルとジアルキルカーボネート及びプロピ
レンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（Ｅ
Ｃ）、ブチレンカーボネート、アセトニトリル、ジメチ
ルスルホキサイド、ジメチルホルムアミド、ジメチルア
セトアミド、γ−バレロラクトン、γ−ブチロラクトン
（ＧＢＬ）、Ｎ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）及びこ
れらの混合物等の環状カーボネート、環状エステル、環
状アミド及びスルホキサイドを含む高誘電率溶剤を含
む。本発明においては、好ましいアノード活性材料はリ
チウム金属であり、好ましい電解質は、好ましい高誘電
率溶剤としてプロピレンカーボネートと好ましい低粘性
溶剤として１，２−ジメトキシエタンの５０：５０（容
量）混合物に溶解された０．８Ｍから１．５ＭのＬｉＡ
ｓＦ6 またはＬｉＰＦ6 である。
【００３８】付随するクレームにより定義されるような
本発明の精神と範囲を逸脱することなくここで述べられ
た本発明の概念に対する種々の変形は、当業者には明白
であることが認識される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のプリズム状のプレートあるいはジェ
リーロールの電極アセンブリーを含む電気化学セルの断
面図である。
【図２】サンドイッチカソード電極デザインを含む電気
化学セルの断面図である。
【図３】本発明の二重スクリーンサンドイッチカソード
電極デザインを含む電気化学セルの断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 4/50 Ｈ０１Ｍ 4/50 4/54 4/54 4/58 4/58 4/66 4/66 Ａ 10/40 10/40 Ａ Ｂ Ｆターム(参考） 5H017 AA03 AS02 CC03 EE01 EE04 EE05 EE06 5H029 AJ03 AK02 AK03 AK04 AK05 AL11 AL12 AL13 AM02 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ04 BJ06 BJ12 HJ02 5H050 AA08 BA16 BA17 CA02 CA05 CA07 CA08 CA09 CA10 CA11 CB12 FA01 FA02 HA02

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）第１及び第２のカソード集電体の間
    にサンドイッチされた、比較的高エネルギー密度である
    が、比較的低電流性能である第１のカソード活性材料
    と、第１のカソード活性材料に対向する第１及び第２の
    カソード集電体に接触した、比較的低エネルギー密度で
    あるが、比較的高電流性能である第２のカソード活性材
    料とを有する第１のカソード構造と、 ｂ）第１のアノード集電体の対向する側に接触したアル
    カリ金属の第１のアノード構造であって、第１のアノー
    ド構造が第１のカソード集電体に接触する第２のカソー
    ド活性材料と電気的に関連した第１のアノード構造と、 ｃ）第３のカソード集電体の一つの側に接触した、比較
    的高エネルギー密度であるが、比較的低電流性能の第３
    のカソード活性材料と、第３のカソード集電体のもう一
    つの側に接触した、比較的低エネルギー密度であるが、
    比較的高電流性能の第４のカソード活性材料とを有する
    第２のカソード構造であって、第４のカソード活性材料
    が第１のカソード集電体に接触する第２のカソード活性
    材料と対向する第１のアノード構造と電気的に関連した
    第２のカソード構造と、そして ｄ）アノードとカソードを活性化する非水性電解質とを
    含むことを特徴とする電気化学セル。
  2. 【請求項２】 第１及び第３のカソード活性材料がＣＦ
    x 、Ａｇ2 Ｏ、Ａｇ2 Ｏ 2 、ＣｕＦ、Ａｇ2 ＣｒＯ4 、
    ＭｎＯ2 、ＳＶＯ、及びこれらの混合物からなる群から
    選ばれることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セ
    ル。
  3. 【請求項３】 第２及び第４のカソード活性材料がＳＶ
    Ｏ、ＣＳＶＯ、Ｖ2 Ｏ5、ＭｎＯ2 、ＬｉＣｏＯ2 、Ｌ
    ｉＮｉＯ2 、ＬｉＭｎＯ2 、ＣｕＯ2 、ＴｉＳ、Ｃｕ2
    Ｓ、ＦｅＳ、ＦｅＳ2 、銅酸化物、銅バナジウム酸化
    物、及びこれらの混合物からなる群から選ばれることを
    特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
  4. 【請求項４】 第１及び第３のカソード活性材料がＣＦ
    x であり、第２及び第４のカソード活性材料がＳＶＯで
    あることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
  5. 【請求項５】 第１のカソード構造がＳＶＯ／集電体／
    ＣＦx ／集電体／ＳＶＯの配置を有することを特徴とす
    る請求項１に記載の電気化学セル。
  6. 【請求項６】 第２のカソード構造がＣＦx ／集電体／
    ＳＶＯの配置を有することを特徴とする請求項１に記載
    の電気化学セル。
  7. 【請求項７】 第２のアノード集電体の対向する側に接
    触したアルカリ金属の第２のアノード構造であって、第
    ２のアノード構造が第２のカソード集電体に接触する第
    ２のカソード活性材料と電気的に関連した第２のアノー
    ド構造を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の電
    気化学セル。
  8. 【請求項８】 第４のカソード集電体の一つの側に接触
    した、比較的高エネルギー密度であるが、比較的低電流
    性能の第５のカソード活性材料と、第４のカソード集電
    体のもう一つの側に接触した、比較的低エネルギー密度
    であるが、比較的高電流性能の第６のカソード活性材料
    とを有する第３のカソード構造であって、第６のカソー
    ド活性材料が第２のカソード集電体に接触する第２のカ
    ソード活性材料と対向する第２のアノード構造と電気的
    に関連した第３のカソード構造を更に含むことを特徴と
    する請求項７に記載の電気化学セル。
  9. 【請求項９】 第１、第３及び第５のカソード活性材料
    がＣＦx 、Ａｇ2 Ｏ、Ａｇ2 Ｏ2 、ＣｕＦ、Ａｇ2 Ｃｒ
    Ｏ4 、ＭｎＯ2 、ＳＶＯ、及びこれらの混合物からなる
    群から選ばれることを特徴とする請求項８に記載の電気
    化学セル。
  10. 【請求項１０】 第２、第４及び第６のカソード活性材
    料がＳＶＯ、ＣＳＶＯ、Ｖ2 Ｏ5 、ＭｎＯ2 、ＬｉＣｏ
    Ｏ2 、ＬｉＮｉＯ2 、ＬｉＭｎＯ2 、ＣｕＯ2 、Ｔｉ
    Ｓ、Ｃｕ2 Ｓ、ＦｅＳ、ＦｅＳ2 、銅酸化物、銅バナジ
    ウム酸化物、及びこれらの混合物からなる群から選ばれ
    ることを特徴とする請求項８に記載の電気化学セル。
  11. 【請求項１１】 第１、第３及び第５のカソード活性材
    料がＣＦx であり、第２、第４及び第６のカソード活性
    材料がＳＶＯであることを特徴とする請求項８に記載の
    電気化学セル。
  12. 【請求項１２】 第２及び第３のカソード構造がＣＦx
    ／集電体／ＳＶＯの配置を有することを特徴とする請求
    項８に記載の電気化学セル。
  13. 【請求項１３】 カソード構造がＳＶＯ／集電体／ＳＶ
    Ｏ／ＣＦx ／集電体／ＳＶＯの配置を有することを特徴
    とする請求項１に記載の電気化学セル。
  14. 【請求項１４】 第１、第２及び第３の集電体がステン
    レススチール、チタン、タンタル、白金、金、アルミニ
    ウム、コバルトニッケル合金、ニッケル含有合金、モリ
    ブデンとクロムを含有する高合金化フェライト性ステン
    レススチール、及びニッケル−、クロム−及びモリブデ
    ン−含有合金からなる群から選ばれることを特徴とする
    請求項１に記載の電気化学セル。
  15. 【請求項１５】 第１、第２及び第３の集電体がグラフ
    ァイト／炭素材料、イリジウム、イリジウム酸化物及び
    白金からなる群から選ばれる、その上に設けられたコー
    ティングを有するチタンであることを特徴とする請求項
    １に記載の電気化学セル。
  16. 【請求項１６】 アノードがリチウムであり、第１及び
    第３のカソード活性材料がＣＦx であり、第２及び第４
    のカソード活性材料がＳＶＯであり、そして第１、第２
    及び第３の集電体がチタンであることを特徴とする請求
    項１に記載の電気化学セル。
  17. 【請求項１７】 電解質がエステル、線状エーテル、環
    状エーテル、ジアルキルカーボネート、及びこれらの混
    合物から選ばれる第１の溶剤と、環状カーボネート、環
    状エステル、環状アミド、及びこれらの混合物から選ば
    れる第２の溶剤とを有することを特徴とする請求項１に
    記載の電気化学セル。
  18. 【請求項１８】 第１の溶剤がテトラヒドロフラン（Ｔ
    ＨＦ）、メチルアセテート（ＭＡ）、ジグリム、トリグ
    リム、テトラグリム、ジメチルカーボネート（ＤＭ
    Ｃ）、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、１，２−
    ジエトキシエタン（ＤＥＥ）、１−エトキシ−２−メト
    キシエタン（ＥＭＥ）、エチルメチルカーボネート、メ
    チルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネー
    ト、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、
    及びこれらの混合物からなる群から選ばれ、第２の溶剤
    がプロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネ
    ート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート、アセトニトリ
    ル、ジメチルスルホキサイド、ジメチルホルムアミド、
    ジメチルアセトアミド、γ−バレロラクトン、γ−ブチ
    ロラクトン（ＧＢＬ）、Ｎ−メチル−ピロリドン（ＮＭ
    Ｐ）及びこれらの混合物からなる群から選ばれることを
    特徴とする請求項１７に記載の電気化学セル。
  19. 【請求項１９】 ＬｉＰＦ6 、ＬｉＢＦ4 、ＬｉＡｓＦ
    6 、ＬｉＳｂＦ6 、ＬｉＣｌＯ4 、ＬｉＯ2 、ＬｉＡｌ
    Ｃｌ4 、ＬｉＧａＣｌ4 、ＬｉＣ（ＳＯ2 ＣＦ3）3 、
    ＬｉＮ（ＳＯ2 ＣＦ3 ）2 、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＯ3 ＳＣ
    Ｆ3 、ＬｉＣ6 Ｆ 5 ＳＯ3 、ＬｉＯ2 ＣＣＦ3 、ＬｉＳ
    Ｏ6 Ｆ、ＬｉＢ（Ｃ6 Ｈ5 ）4 、ＬｉＣＦ 3 ＳＯ3 、及
    びこれらの混合物からなる群から選ばれるリチウム塩を
    含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
  20. 【請求項２０】 電解質が第１の溶剤としてプロピレン
    カーボネートと第２の溶剤として１、２−ジメトキシエ
    タンの５０：５０（容量）混合物に溶解された０．８Ｍ
    から１．５ＭのＬｉＡｓＦ6 またはＬｉＰＦ6 であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
  21. 【請求項２１】 アノードがリチウムであり、カソード
    がＳＶＯ／集電体／Ａｇ 2 Ｏの配置を有しており、ＳＶ
    Ｏがリチウムアノードに面していることを特徴とする請
    求項１に記載の電気化学セル。
  22. 【請求項２２】 ａ）第１及び第２のカソード集電体の
    間にサンドイッチされた、比較的高エネルギー密度であ
    るが、比較的低電流性能である第１のカソード活性材料
    と、第１のカソード活性材料に相対した第１及び第２の
    カソード集電体に接触した、比較的低エネルギー密度で
    あるが、比較的高電流性能である第２のカソード活性材
    料とを有する第１のカソード構造と、 ｂ）第１のアノード集電体の対向する側に接触したアル
    カリ金属の第１のアノード構造であって、第１のアノー
    ド構造が第１のカソード集電体に接触する第２のカソー
    ド活性材料と電気的に関連した第１のアノード構造と、 ｃ）第３のカソード集電体の一つの側に接触した、比較
    的高エネルギー密度であるが、比較的低電流性能の第３
    のカソード活性材料と、第３のカソード集電体のもう一
    つの側に接触された、比較的低エネルギー密度である
    が、比較的高電流性能の第４のカソード活性材料とを有
    する第２のカソード構造であって、第４のカソード活性
    材料が第１のカソード集電体に接触する第２のカソード
    活性材料と対向する第１のアノード構造と電気的に関連
    した第２のカソード構造と、 ｄ）第２のアノード集電体の対向する側に接触したアル
    カリ金属の第２のアノード構造であって、第２のアノー
    ド構造が第２のカソード集電体に接触する第２のカソー
    ド活性材料と電気的に関連した第２のアノード構造と、 ｅ）第４のカソード集電体の一つの側に接触した、比較
    的高エネルギー密度であるが、比較的低電流性能の第５
    のカソード活性材料と、第４のカソード集電体のもう一
    つの側に接触した、比較的低エネルギー密度であるが、
    比較的高電流性能の第６のカソード活性材料とを有する
    第３のカソード構造であって、第６のカソード活性材料
    が第２のカソード集電体に接触する第２のカソード活性
    材料と対向する第２のアノード構造と電気的に関連した
    第３のカソード構造と、そして ｆ）アノードとカソードを活性化する非水性電解質とを
    含むことを特徴とする電気化学セル。
  23. 【請求項２３】 第１、第３及び第５のカソード活性材
    料が、ＣＦx 、Ａｇ2 Ｏ、Ａｇ2 Ｏ2 、ＣｕＦ、Ａｇ2
    ＣｒＯ4 、ＭｎＯ2 、ＳＶＯ、及びこれらの混合物から
    なる群から選ばれることを特徴とする請求項２２に記載
    の電気化学セル。
  24. 【請求項２４】 第２、第４及び第６のカソード活性材
    料がＳＶＯ、ＣＳＶＯ、Ｖ2 Ｏ5 、ＭｎＯ2 、ＬｉＣｏ
    Ｏ2 、ＬｉＮｉＯ2 、ＬｉＭｎＯ2 、ＣｕＯ2 、Ｔｉ
    Ｓ、Ｃｕ2 Ｓ、ＦｅＳ、ＦｅＳ2 、銅酸化物、銅バナジ
    ウム酸化物、及びこれらの混合物からなる群から選ばれ
    ることを特徴とする請求項２２に記載の電気化学セル。
  25. 【請求項２５】 ａ）医療器具を準備する工程、 ｂ）電気化学セルを準備する工程であって、下記のｉ）
    〜ｖ）： ｉ）アルカリ金属のアノードを準備し、 ｉｉ）第１及び第２のカソード集電体の間にサンドイッ
    チされた、比較的高エネルギー密度であるが、比較的低
    電流性能である第１のカソード活性材料と、第１のカソ
    ード活性材料に相対した第１及び第２のカソード集電体
    に接触した、比較的低エネルギー密度であるが、比較的
    高電流性能である第２のカソード活性材料とを有する第
    １のカソード構造を準備し、 ｉｉｉ）第１のアノード集電体の対向する側に接触した
    アルカリ金属の第１のアノード構造であって、第１のア
    ノード構造が第１のカソード集電体に接触する第２のカ
    ソード活性材料と電気的に関連した第１のアノード構造
    を準備し、 ｉｖ）第３のカソード集電体の一つの側に接触した、比
    較的高エネルギー密度であるが、比較的低電流性能の第
    ３のカソード活性材料を有する第２のカソード構造を準
    備し、そして第３のカソード集電体のもう一つの側に接
    触した、比較的低エネルギー密度であるが、比較的高電
    流性能の第４のカソード活性材料を有する第２のカソー
    ド構造であって、第４のカソード活性材料が第１のカソ
    ード集電体に接触する第２のカソード活性材料と対向す
    る第１のアノード構造と電気的に関連した第２のカソー
    ド構造を準備し、そして ｖ）アノードとカソードを非水性電解質により活性化す
    る工程から成る工程、及び ｃ）電気化学セルを医療器具に電気的に接続する工程 とを含むことを特徴とする埋め込み型医療器具に電力を
    供給する方法。
  26. 【請求項２６】 第１及び第３のカソード活性材料をＣ
    Ｆx 、Ａｇ2 Ｏ、Ａｇ2Ｏ2 、ＣｕＦ、Ａｇ2 ＣｒＯ
    4 、ＭｎＯ2 、ＳＶＯ、及びこれらの混合物からなる群
    から選ぶことを含むことを特徴とする請求項２５に記載
    の方法。
  27. 【請求項２７】 第２及び第４のカソード活性材料をＳ
    ＶＯ、ＣＳＶＯ、Ｖ2 Ｏ 5 、ＭｎＯ2 、ＬｉＣｏＯ2 、
    ＬｉＮｉＯ2 、ＬｉＭｎＯ2 、ＣｕＯ2 、ＴｉＳ、Ｃｕ
    2 Ｓ、ＦｅＳ、ＦｅＳ2 、銅酸化物、銅バナジウム酸化
    物、及びこれらの混合物からなる群から選ぶことを含む
    ことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 アノードがリチウムであり、第１及び
    第３のカソード活性材料がＣＦx であり、第２及び第４
    のカソード活性材料がＳＶＯであることを特徴とする請
    求項２５に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 ＳＶＯ／集電体／ＣＦx ／集電体／Ｓ
    ＶＯの配置を有する第１のカソード構造を設けることを
    含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 ＣＦx ／集電体／ＳＶＯの配置を有す
    る第２のカソード構造を設けることを含むことを特徴と
    する請求項２５に記載の方法。
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