JP2002063893A - 巻成用可変密度カソードアセンブリ - Google Patents

巻成用可変密度カソードアセンブリ

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JP2002063893A JP2001202389A JP2001202389A JP2002063893A JP 2002063893 A JP2002063893 A JP 2002063893A JP 2001202389 A JP2001202389 A JP 2001202389A JP 2001202389 A JP2001202389 A JP 2001202389A JP 2002063893 A JP2002063893 A JP 2002063893A
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ジェイ、フラスタシ ドミニク
Tina L Urso
エル、アーソー ティーナ
Paul T Hallifax
ティー、ハリファックス ポール
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的高密度な電極構造を有する電池を提供
しようとする。 【解決手段】 互いに重ね合わせて角柱型又は他の非円
筒型ケースに適したセルスタックとして巻き形成した連
続アノード電極２１、２４及び連続カソード電極１０よ
り、電極アセンブリを構成した。カソード電極細長片
は、電極材料が、高密度で圧接する幾つかの領域１３
と、活物質が低密度で圧接する幾つかの領域１６を有し
ている。このような領域設定は、低密度領域を巻き形成
されたセルスタック２０における曲げ領域１７に対応さ
せるものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学エネルギ
ー関連分野、そして特に、電極アセンブリとそのアセン
ブリを用いた電気化学セル、すなわち電池及びその電極
アセンブリの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】バッテリー、すなわち電池は、バッテリ
ーケースの許容体積を上回ることができない典型的な体
積制限システムである。バッテリーケースのサイズ及び
そのサイズに基づく体積は、個々の利用分野において必
要とされるスペースによって規制される。バッテリーを
構成する諸要素、すなわちカソード電極、アノード電
極、スペーサー、集電体及び電解液のすべては、バッテ
リーケースによって形成される制限された空間内に適合
しなければならない。したがって、それら要素の配列
は、ケース中に適合し得る電極活物質の量及び装置の製
造の容易性に影響する。
【０００３】体積効率を最大化すべく試みられたある種
典型的な電極アセンブリとしては、例えば、ブロンデ
ル、その他に与えられた米国特許第３，６６３，７２１
号において開示された“Ｚ”型折り畳み電極アセンブリ
がある。“Ｚ”型折り畳み電極においては、単一の連続
したリチウムアノードが、ジグザグ方式において前後に
折り畳まれる。個々の折り目の長さは、電極アセンブリ
の幅を決定する。個々のカソードプレートは、２対のひ
だ状アノード電極対の間に位置して、電気的に相互に接
続される。この設計は、分離したカソードプレートをア
ノード電極の隣接層の各対間に挿入しなければならない
こと、及び挿入されたカソードプレートのすべての間に
電極接続を必要とすること等の、欠点を含んでいる。こ
の構成は、製造に関する時間及びコストを増大させるも
のである。
【０００４】別の典型的な体積向上型の電極アセンブリ
は、アノード電極、カソード電極及びセパレーターを互
いに重ね合わせ、それらをコイル状に巻き付けて形成さ
れる、いわゆる“ゼリーロール”設計である。このよう
な巻き電極形状は、連続したアノード及びカソード電極
の存在に基づき、それらの各端子リードへの機械的な接
続が最小限度でよいということ、及びゼリーロール型ア
センブリが、一般に高速放電及び大電流パルス利用のた
めに適していると認められることから、望ましい設計で
あると言われている。しかしながら、巻き付け方法の使
用は、しばしば電極がその集電体に密集的に圧接されて
比較的脆くなり、特に小半径で巻く場合には、ひび割れ
やスクリーンの剥離を生じやすいことから、電極密度を
制限しなければならないという欠点がある。さらに、電
極材料は、電極長さに沿って裂けたり剥がれたりし易
く、そうなると、電極材料が集電体スクリーンと接触し
なくなるという問題がある。
【０００５】上述した積み上げ型又は平坦折り畳み型カ
ソードプレートは、巻き形成に関する曲げ領域の歪みを
生じないため、プレート法によれば、比較的高密度の電
極を収容することが可能となり、したがって、巻き形成
法を用いるよりも大きい全電極重量及び容量を有するセ
ルスタックを形成するものであったと言える。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって、必要なこ
とは、角柱型（立方形）又は他の非円筒ケース内におい
て用いられるための比較的高密度な電極を有するように
改良された巻き形成型セルスタックを提供することであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、電極活物質
が、高密度で圧接する幾つかの領域と、同活物質が比較
的低密度に圧接される幾つかの領域とを有する巻き形成
型電極を提供することにより、上述の要求を満たそうと
するものである。
【０００８】巻き電極は、“平坦”にのびる領域と湾曲
した曲げ領域とを有する。巻き束の内側から外側に移る
に従って、曲げ領域の半径は大きくなる。平坦域と比較
的長い曲率半径の曲げ領域は、プレート法により形成さ
れたセルスタックと同様な高密度において圧接される。
比較的固く締り、また短い曲げ半径で形成された領域に
おいては、活物質は、比較的低い密度となるように圧接
され、セルスタックの形成時における曲げに関連した歪
みを受容する。
【０００９】好ましい実施例において、巻き電極セルス
タックは、比較的短い半径ターンに対応する領域におい
て、低密度となるように圧接される。活物質を集電体に
圧接させる手段（ツール）は、交互に実現する高密度と
低密度の領域を集電体スクリーンの両側に配置するよう
に形成されている。
【００１０】本発明はさらに、上述した巻き形成セルス
タックを製造する方法を含むものである。この方法は、
電極活物質を集電体スクリーン上に、ある領域において
は高密度で、また他の領域においては低密度で、同時に
押圧する工程を含んでいる。低密度領域の位置は、アノ
ード電極及びカソード電極がセルスタックとして巻き形
成されたとき、低密度領域が、その曲げ形成セルスタッ
ク中において、最も短い半径の曲げ部分を形成する領域
に対応するように設定される。
【００１１】セルスタックを組み立てるため、カソード
電極は、アノード電極と整列して配置され、その組み合
わせが以下に述べるようにして巻き形成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明は、バッテリー及びキャパ
シターなどのような高エネルギー装置であって、電極形
状を広範に変化させることができるようなものについて
設計されたものであり、これによって、水性及び非水性
の一次電池及び二次電池を含むキャパシター及びバッテ
リーとしての利用に供することができる。
【００１３】図１には、カソード電極１０が示されてい
る。カソード電極１０は、好ましくは、カソード集電体
として作用する導電性部材１２と接触した活物質１１の
連続細長片から形成される。活物質１１は、当該技術分
野において相当の知識を有するもの（当業者）にとって
は、周知のプロセスを通じて集電体１２上に圧接させら
れる。活物質１１は、好ましくは、金属、金属酸化物、
金属硫化物、混合金属酸化物又は炭素系物質からなって
いる。カソード集電体１２は、好ましくは、導電性スク
リーンなどのような導電材料からなっている。カソード
電極１０は、完成した巻き形成スタック２０（図７）に
示された平坦領域１４に対応する複数の平坦領域１３を
有する。電極１０はさらに、完成した巻き形成セルスタ
ック２０における曲げ領域１７に対応する複数の曲げ領
域１６を有する。平坦領域１３は、カソード電極細長片
の左端から出発して、各隣接した平坦領域１３間におい
て曲げ領域１６を形成するように配置される。曲げ領域
１６は、電極細長片１０の中心に向かうに従って短くな
る。最も中心に位置する曲げ領域１６は、巻き形成セル
スタック２０における最短半径の湾曲部に相当する。こ
れらの部分が巻き工程中において湾曲すると、細長片１
０の内側における材料１１は圧接され、細長片１０の外
側に位置する材料１１は、張力を受けることになる。し
たがって、最も尖鋭で固く締まった（最小半径の）セク
ションは、集電体スクリーンから剥がれ落ち、又は分離
（剥離）しやすいという欠陥をもつことになる。
【００１４】したがって、図２を参照すると、曲げ領域
１６は、巻き形成に関する歪みから守られるという点に
最も関心が払われた領域として示されている。その結
果、曲げ領域１６は、比較的低密度に圧接されるカソー
ド活物質を有する。活物質材料１１は、巻きスタック２
０の平坦領域１４に対応する領域１３において、高密度
に押圧される。材料１１が、低密度に圧接された領域１
６は、湾曲に基づく剥がれ落ち又は分離を生ずることな
く、撓むことができる。これらの領域１６は、図２に最
もよく示すパターンに従って、カソード電極１０の異な
った領域において、異なった密度となるように変形され
たプレス（図示せず）によって形成される。
【００１５】一度カソード電極１０が、高密度領域１３
及び低密度領域１６をそれぞれ形成すると、セパレータ
ー（図示せず）及び一対のアノード電極細長片２１及び
２４（図３〜４）が、カソード電極細長片１０と整列す
るように配置される。アノード細長片２１、２４は、完
成した巻きスタック２０の平坦領域１４に対応する領域
２２及び２５と完成したセルスタック２０の曲げ領域１
７に対応する領域２３、２６を有する。必ずしも必要で
はないが、アノード電極２１、２４はさらに、曲げ領域
２３、２６において、低密度となるように圧接される。
アノード電極２１、２４は、当業者にとっては、周知の
ケース負電位型としてケースへの接続を受け持つコネク
タ２７を有する。組み合わされたアノード細長片と電極
細長片、及びセパレーターは、図５〜６に示すように重
ね合わされる。次に、これらの電極は、図示の細長片組
み合わせの中心４５に配置したマンドレルのまわりに巻
き付けられる。この構造は、Ｗｏｕｎｄ Ｓｔａｃｋ
ｆｏｒ ＥｎｈａｎｃｅｄＢａｔｔｅｒｙ Ｐｅｒｆｏ
ｒｍａｎｃｅ（バッテリー性能を向上するための巻きス
タック）と題した米国特許願第０９／２６２，２４５号
において図示および説明された通りである。この米国出
願は、本発明の出願人に譲渡されたものであり、ここに
参考文献として引用する。
【００１６】再び図１に戻ると、電極アセンブリ１０は
さらに、ケース及び／又は端子ピンへの接続を形成する
電気コネクタ３３及び３６を有する。コネクタ３６は、
マホレット、その他に与えられた米国特許第５，７５
０，２９６号において図示及び説明された端子ピンへの
接続を形成するために曲接延長部３７を有する。この米
国特許もまた、本発明の出願人に譲渡されたものであ
り、ここに参考文献として引用する。
【００１７】当業者にとっては明らかなことであるが、
本発明は、いわゆる“ゼリーロール”型に属するもので
あり、その範疇において用いらるものである。ゼリーロ
ール形状の場合、単一のアノード細長片、すなわちカソ
ード電極とほぼ同様な長さを有する細長片は、セパレー
ターを介してカソード電極と重ね合わされる。この組み
合わせ電極は、次に、当業者にとっては周知の方法で、
マンドレルのまわりにおいて一端から他端にかけて巻き
付けられる。
【００１８】図７を参照すると、本発明の巻き形成セル
スタック２０は、平坦領域１４及び曲げ領域１７を有す
る連続したアノード及びカソード電極（１０、２１、２
４）の巻体を形成する。この平坦領域１４は、電極活物
質１１が平坦折り重ね電極アセンブリに用いられるもの
に比して、高密度に圧接されたカソード電極の領域１３
に対応する。曲げ領域１７は、電極活物質１１が集電体
スクリーン上に低密度で圧接されたことにより、セルス
タック２０の巻き形成を容易にしたカソードアセンブリ
１０の領域１６に対応する。これら低密度領域１６は、
カソード電極１０の長さ方向軸に沿って剥離が生じない
ようにして、セルスタック２０の巻き形成を容易にする
ものである。もし、低密度領域１６が存在しなければ、
電極活物質１１は、曲げ領域１７においてカソード集電
体１２から剥離し始め、長さ方向軸を直線領域１４に沿
わせて広げることになる。領域１６により形成される不
連続性、すなわち電極活物質が低密度に圧接されること
は、剥離が生ずることを防止するものである。
【００１９】本発明は、幾つかの利点を有している。ま
ず、連続したアノード及びカソード電極細長片を用いる
ことにより、装置は、プレート設計などに関連するプレ
ート用の余分の接続を不要とする。これら余分の接続
は、活物質の容量又表面積に寄与するものではない。本
発明はまた、全体高密度プレートとして構成されるか、
又は均一低密度巻成素子として形成されたセルスタック
よりも、大容量のセルを提供するものである。さらに、
本発明は、電極を固く締まった曲げ領域における活物質
のひび割れ等を生ずることなく、曲げ形成することを可
能にする。総じて、本発明は、ケース縦横比に従って、
約１０％以上のセル容量密度を増加させるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカソード電極細長片の平面図である。
【図２】図１のカソード電極細長片の側面図である。
【図３】第１のアノード電極の平面図である。
【図４】第２のアノード電極の平面図である。
【図５】曲げ形成前において組み合わせられたカソード
電極及びアノード電極の細長片の側面図である。
【図６】曲げ形成前における組み合わせられたカソード
電極及びアノード電極の細長片の平面図である。
【図７】カソード電極内において高密度領と低密度領域
を有する巻き形成セルスタックの側面図である。
【符号の説明】
１０ カソード電極 １３、１４ 平坦領域 １６、１７ 曲げ領域 ２０ 巻きスタック ２１、２４ アノード電極細長片
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ティーナ エル、アーソー アメリカ合衆国、ニューヨーク州 14051、 イースト アムハースト、トゥワイライト レーン 15 (72)発明者 ポール ティー、ハリファックス アメリカ合衆国、ニューヨーク州 14067、 ガスポート、デール ロード 8414 Ｆターム(参考） 5H050 AA08 BA02 BA06 BA09 BA15 CA02 CA07 CA11 CA14 DA04 FA05 FA12 GA03 GA09 HA08

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アノード活物質と接触したアノード集電
    体を有するアノード電極と、カソード活物質と接触した
    カソード集電体を有するカソード電極であって、カソー
    ド活物質がカソード集電体上に第１の密度で圧接する第
    １の領域と、カソード活物質がカソード集電体上に第１
    の密度より低い第２の密度で圧接する第２の領域とを設
    定して、これらの領域をカソード電極に沿って配置し、
    前記アノード電極とカソード電極とを重ね巻きして直線
    領域と曲げ領域とからなる巻成セルスタックを形成した
    とき、前記カソード電極の第２の領域が前記巻成セルス
    タックの少なくとも一つの曲げ領域の中に含まれるよう
    にした前記カソード電極と、前記アノード電極とカソー
    ド電極との間に位置する絶縁セパレーター物質と、を備
    えたことを特徴とする電極アセンブリ。
  2. 【請求項２】 前記カソード活物質が最も短い半径を有
    する巻成セルスタックの曲げ領域に対応する第２の領域
    において、比較的低い密度で圧接するものであることを
    特徴とする請求項１記載の電極アセンブリ。
  3. 【請求項３】 前記アノード電極にはアノード活物質が
    アノード集電体上に第１の密度で圧接する第１の領域
    と、アノード活物質がアノード集電体上に比較的低い第
    ２の密度で圧接する第２の領域とを設定して、これらの
    領域を細長片に沿って配置し、前記アノード電極とカソ
    ード電極とを重ね巻きして巻成セルスタックを形成した
    とき、前記第２の領域が前記巻成セルスタックにおける
    少なくとも一つの最も締まった曲げ領域の中に含まれる
    ようにしたことを特徴とする請求項１記載の電極アセン
    ブリ。
  4. 【請求項４】 前記アノード電極が、前記重ね巻きの前
    にカソード電極細長片の両側に配置された２枚のアノー
    ド電極細長片からなることを特徴とする請求項１記載の
    電極アセンブリ。
  5. 【請求項５】 アノード活物質と接触したアノード集電
    体を有するアノード電極と、カソード活物質と接触した
    カソード集電体を有するカソード電極であって、カソー
    ド活物質がカソード集電体上に第１の密度で圧接する第
    １の領域と、カソード活物質がカソード集電体上に第１
    の密度より低い第２の密度で圧接する第２の領域とを設
    定して、これらの領域をカソード電極に沿って配置し、
    前記アノード電極とカソード電極とを重ね巻きして直線
    領域と曲げ領域とからなる巻成セルスタックを形成した
    とき、前記カソード電極の第２の領域が前記巻成セルス
    タックの少なくとも一つの曲げ領域の中に含まれるよう
    にした前記カソード電極と、前記アノード電極とカソー
    ド電極との間に位置するセパレーター物質と、前記アノ
    ード電極とカソード電極を活性化し且つ動作的に関連す
    る電解液と、を備えたことを特徴とする電池。
  6. 【請求項６】 前記アノード電極にはアノード活物質が
    アノード集電体上に第１の密度で圧接する第１の領域
    と、アノード活物質がアノード集電体上に前記第１の密
    度より低い第２の密度で圧接する第２の領域とを設定し
    て、これらの領域を細長片に沿って配置し、前記アノー
    ド電極とカソード電極とを重ね巻きして巻成セルスタッ
    クを形成したとき、前記第２の領域が前記巻成セルスタ
    ックにおける曲げ領域の中に含まれるようにしたことを
    特徴とする請求項５記載の電池。
  7. 【請求項７】 前記アノード電極が、前記重ね巻きの前
    にカソード電極細長片の両側に配置された２枚のアノー
    ド電極細長片からなることを特徴とする請求項６記載の
    電池。
  8. 【請求項８】 アノード活物質と接触したアノード集電
    体を有する少なくとも一つのアノード電極細長片を準備
    する工程と、カソード活物質と接触したカソード集電体
    を有するカソード電極細長片であって、カソード活物質
    がカソード集電体細長片上に第１の密度で圧接する第１
    の領域と、カソード活物質がカソード集電体上に第１の
    密度より低い第２の密度で圧接する第２の領域とを設定
    して、これらの領域をカソード電極細長片に沿って配置
    し、前記アノード電極とカソード電極とを重ね巻きして
    直線領域と曲げ領域とからなる巻成セルスタックを形成
    したとき、前記カソード電極の第２の領域が前記巻成セ
    ルスタックの少なくとも一つの曲げ領域の中に含まれる
    ようにした前記カソード電極細長片を準備する工程と、
    を備えたことを特徴とする電極アセンブリの製造方法。
  9. 【請求項９】 前記カソード活物質が最も短い半径を有
    する巻成セルスタックの曲げ領域に対応する第２の領域
    において、比較的低い密度で圧接するものであることを
    特徴とする請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記アノード電極にはアノード活物質
    がアノード集電体上に第１の密度で圧接する第１の領域
    と、アノード活物質がアノード集電体上に前記第１の密
    度より低い第２の密度で圧接する第２の領域とを設定し
    て、これらの領域を前記電極に沿って配置し、前記アノ
    ード電極とカソード電極とを重ね巻きして巻成セルスタ
    ックを形成したとき、前記第２の領域が前記巻成セルス
    タックにおける曲げ領域の中に含まれるようにしたこと
    を特徴とする請求項８記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記アノード電極が、前記重ね巻きの
    前にカソード電極細長片の両側に配置された２枚のアノ
    ード電極細長片からなることを特徴とする請求項１０記
    載の方法。
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