JP2002518816A - 多重セルの渦状巻回電極アセンブリを含むバッテリ - Google Patents

多重セルの渦状巻回電極アセンブリを含むバッテリ

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Abstract

(57)【要約】 バッテリはハウジング、および直列に接続された少なくとも二つの渦状巻回電気化学セルを含む。両方のセルは、巻回された電極層および該電極層の間に設けられたポリマー電解質を含む。夫々の連続的なセルの層が、先のセルの層の回りに巻回され、好ましくは絶縁層によって先のセルの層から分離される。ポリマー電解質を使用することにより、高価な微孔質セパレータ層の必要性が排除され、また多重セルバッテリを構築するために別々にシールされた容器を提供する必要性も排除される。従って、より安価で空間高率のより多重セル渦状巻回電極構造が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、一以上の電気化学セルを含むバッテリに関する。本発明は更に、電
気化学セルの正電極および負電極がマンドレルの回りに渦状に巻かれた、渦状巻
回電極アセンブリを有する電気化学セルを含んだバッテリに関する。
【０００２】 （背景技術） 正電極および負電極を渦状巻回電極アセンブリ（ゼリーロールアセンブリとし
ても知られる）に巻いた電気化学セルを含むバッテリが知られている。これらの
種類のバッテリにおける正電極および負電極は、典型的にはアルミニウム製また
は銅製の細長い導電性箔片で構成されており、その両側にコートされた活性な電
気化学的材料を含む材料混合物を有する。この正電極および負電極はマンドレル
によって巻回され、正電極および負電極の間の如何なる物理的接触をも防止する
ために、電極層の間には分離材料の層が配置される。渦状に巻回された電極アセ
ンブリがマンドレルの回りに巻回された後、この渦状巻回電極アセンブリを取り
出して、円筒状または角筒状の金属セルハウジング開口端の中に挿入する。その
後、電解質液がセルハウジングの開口端部に分注される。この液体電解質は渦状
巻回電極アセンブリの回りおよび内部を流れ、正電極および負電極の間の分離層
に吸収されて、正電極および負電極の間のイオン輸送を可能にする。 電解質をセルハウジング内に分注した後、カバーアセンブリをそれが一方の電
極に電気的に接続されるように開口端部に挿入し、セルハウジングを捲縮してカ
バーアセンブリを正しい位置に保持することにより、セルハウジングを密封する
。また、このカバーアセンブリは、該カバーアセンブリおよびセルハウジングが
夫々反対極性を有する電気接点端末として働くように、好ましくはセルハウジン
グから電気的に絶縁される。
【０００３】 このような渦状巻回電極型セルは、典型的にはビデオカメラ、携帯電話および
携帯コンピュータのための再充電可能なバッテリパックにおいて、組み合わせて
使用される。これらのタイプのバッテリパックは高い出力電圧を必要とするので
、使用されるセルは3ボルト以上のセル電圧を有する。これら電気化学的セルを
構成するために使用される部品は典型的には高価であり、またより安定な電解質
、および活性な電気化学材料を導電性電極ストリップに結合するためのバインダ
を必要とする。 上記のようにして構築される渦状巻回電極型の電気化学セルの構成に関する更
なる問題は、多孔質セパレータを使用することから生じる。このような多孔質セ
パレータは、電気化学セルの高価な部品の一つである。更に、これらセパレータ
は、典型的にはセルの内部抵抗を増大させ、その結果、セルの高速性能を低下さ
せる可能性がある。更に、セパレータ自身は電気化学的に活性な部品ではなく、
これがなければ電気化学的に活性な成分を充填できるはずの、セルハウジング内
のスペースを消費する。 アルカリバッテリの技術においては、低電圧の複数の電気化学セルを直列に結
合して用いることにより、高電圧バッテリを構築することが知られている。例え
ば、従来の9ボルトバッテリは、6個の1.5ボルトセルを直列に結合することによ
り構築される。このような多重セルバッテリは、典型的には、内部に含まれる液
体電解質を他のセルのそれぞれから分離して維持するように、別個にシールされ
たハウジングを有する電気化学セルを使用して構築される。液体電解質がセルの
間で自由に流れると、セル間の漏出電流が生じるであろう。別個にシールされた
セルを含めるためにバッテリハウジング内に必要とされる空間の故に、このよう
なバッテリは全体のバッテリ容積を充分に利用できない。その結果、低電圧セル
は高電圧バッテリを構築するための候補として劣っている。
【０００４】 （発明の開示） 驚くべきことに、ポリマー電解質を使用することにより、各セルのための別個
にシールされた容器を必要としない、多重セルの渦状巻回電極型構成を有するバ
ッテリを提供し、或いは同様に、自由液体電解質の必要性をなくして、高価で且
つスペースを消費するセパレータおよびケーシングの使用を回避できることが見
出された。
【０００５】 従って、第一の側面において、本発明は、ハウジングを備えたバッテリであっ
て、該ハウジングは渦状に巻回された電極アセンブリ有する少なくとも二つのセ
ルを含み、各アセンブリはポリマー電解質により分離された正電極層および負電
極層を有し、前記セルは直列に接続されているバッテリを提供する。 前記セルは適切な如何なる方法で構築してもよいことが理解されるであろう。
前記アセンブリは適切な如何なる向きであってもよく、また一般には、一つのセ
ルを一般には同心円的にもう一つのセルの回りに巻回し、または一般には同軸的
にセルをスタックするのが適切であろう。上記形態の組み合わせも等しく想定さ
れる。
【０００６】 ポリマー電解質を使用する事実によって、自由液体電解質は存在しないことが
理解されるであろう。従って、一方を他方から絶縁して短絡を防止することが必
要とされる全てであり、夫々のセルをケースに収容する必要はない。一般には単
純な絶縁膜で充分であり、これにより空間および費用が節約される。セルの全体
の特性を考慮して、バッテリにおける夫々のセルは異なる構成であってもよい。
一次セルを二次セルと組み合わせるのは一般的には好ましくないであろうが、例
えば、電極活性材料を介して各電極アセンブリの組成を変化させることは、完成
したバッテリの特性をより正確に定義するために役立つことができる。 セルの間の接続は、タブまたはリードのような何れかの便利な手段または適切
な手段によることができ、また何れかの適切な方法で構築すればよい。同様に、
バッテリの残りの部分は、当業者が適切と考える何等かの方法で構築することが
できる。
【０００７】 別の側面においては、 ハウジングと； 該ハウジング内に配置され、電気的に直列に接続された少なくとも二つの同心
円状の電気化学セルを形成する渦状巻回電極アセンブリであって、前記セルの夫
々は正電極、負電極、並びに正電極層と負電極層との間に配置されたポリマー電
解質を含む渦状巻回電極アセンブリとを具備するバッテリが提供される。 一つの実施例において、本発明により構成されたバッテリは、ハウジングおよ
び渦状巻回電極アセンブリを具備し、該電極アセンブリは前記ハウジング内に配
置され、且つ電気的に直列に接続された少なくとも二つの同心円状の電気化学セ
ルを形成する。夫々のセルは、正電極、負電極、ならびに正電極層と負電極層の
間に配置されたポリマー電解質巻回層を含む。好ましくは、これらのセルは、さ
もなくば相互に隣接することになるセルの電極層の間に巻回される絶縁層を与え
ることによって、相互に電気的に絶縁される。
【０００８】 上記構成においては特に、前記セルは、さもなくば相互に隣接することになる
セルの電極層の間に巻回された絶縁層によって、電気的に相互に絶縁されるのが
好ましい。 セルの間の電気的接続は、好ましくは、一つのセルの正電極ともう一つのセル
の負電極との間の電気的コネクタストリップによるものである。 再充電可能な電極アセンブリにおいては、一般的に、負電極はリチウム介入性
炭素質活性材料を含み、正電極はリチウム化金属酸化物活性材料を含むのが好ま
しい。 一次バッテリにおいて、負電極はリチウム金属またはリチウム合金を含み、正
電極は金属酸化物または金属硫化物を含むのが好ましい。 一般に、正電極および負電極の少なくとも一方、好ましくは両方が、活性材料
で両面がコートされた細長い導電性ストリップを含むのが好ましい。 ハウジングは円筒形で、渦状巻回電極アセンブリは円筒形であることができ、
或いは、ハウジングは角筒形で、渦状巻回電極アセンブリは非円筒形であっても
よい。
【０００９】 本発明は更に、ハウジングおよび渦状巻回電極アセンブリを具備するバッテリ
であって、前記電極アセンブリは前記ハウジング内に配置され、電気的に直列に
接続された第一および第二の電気化学セルを含み、これら両セルは正電極、負電
極、並びに正電極および負電極の間に与えられたポリマー電解質の巻回層を含み
、前記第二のセルの層は前記第一のセルの層の回りに巻回されるバッテリを提供
する。
【００１０】 本発明は更に、多重セルバッテリを組み立てる方法であって： 正電極、負電極およびポリマー電解質の交互の層を巻回することにより、第一
の電気化学セルを形成する工程と； 前記第一のセルの正電極および負電極の一方を、第二の電気化学セルの反対極
性の電極に電気的に接続する工程と； 正電極、負電極およびポリマー電解質を、好ましくは前記第一のセルの巻回さ
れた層の回りに交互に巻回することにより、第二の電気化学セルを形成する工程
と； 前記第一および第二の巻回されたセルをバッテリハウジングの中に配置する工
程とを具備した方法を提供する。 上記方法においては、前記第二のセルを巻回する前に、更に、前記第一の巻回
セルの回りに絶縁層を巻回する工程を含むのが好ましい。前記第一および第二の
セルの電極を電気的に結合することは、好ましくは、前記第一の電極を巻回する
前に行う。 この方法は、好ましくは、正電極層、第一のポリマー電解質層、負電極層およ
び第二のポリマー電極層を連続的に巻回することにより、前記第一のセルを形成
する工程を含む。 一般に、上記の方法において、前記第一のセルの電極を前記第二のセルの反対
電極に結合する工程は、電極間の電気的接続を形成するためのコネクタストリッ
プを提供することを含む。
【００１１】 高価なセパレータの使用を必要としない渦状巻回電極型構成を有するバッテリ
が提供されることは、本発明の一つの利点である。より安価な低電圧成分の使用
を可能にしながら、3ボルト以上のセル電圧を発生できるバッテリが提供される
ことがもう一つの利点である。また、従来の電極巻回装置を使用して比較的容易
に製造される、多重セル構成を提供することが可能である。 ポリマー電解質を利用することにより、該電解質はセルの間を流れることがで
きず、それによりセル間の漏れ電流を生じることができない。従って、シールさ
れた容器の必要性は排除される。バッテリハウジング内のシールされた容器の必
要性を排除することにより、当該電気化学セルは最も空間高率のよい方法で、バ
ッテリハウジング内に配置することができる。また、ポリマー電解質を利用する
ことにより、ポリマー電解質は正電極層と負電極層との間の物理的接触を防止す
るから、微孔質セパレータ層の必要性が排除される。
【００１２】 ここで使用する「ポリマー電解質」の用語は、イオン伝導性を有するが物理的
には実質的に移動せず、従ってアノードとカソードとの間に位置したまま残る材
料を意味する。このようなポリマー電解質の組成は、低分子量化素材を含まない
高分子量ポリマーに溶解した塩から、電解質塩、一以上の大量の低分子量溶媒、
および該低分子量溶媒を不動化またはゲル化するためにだけ充分なポリマーを含
有する組成物に亘って変化することができる。 加えて、多重セルの渦状巻回電極アセンブリの作製を可能にすることによって
、より安価な低電圧部品を利用する低電圧セルを利用して、高電圧バッテリを構
築することができる。 適切なポリマー電解質材料は、US-A-5,409,786号に開示されている。好ましい
ポリマー電解質材料については下記に述べる。
【００１３】 ポリマー電解質セルの製造には、幾つかの重要な要件が存在する。これらには
、（１）適切な正電極パッキング、（２）適切なイオン伝導性を有するが、機械
的に安定な電解質／セパレータを提供すること、および（３）短絡についての従
来の導通性のチェックなしに、生きた高領域セルの組立に伴う安全性の問題を回
避することが含まれる。 正電極のパッキングに関して、このようなポリマー電解質セルの正電極を調製
する普通の方法には、正電極活性材料、電子伝導体（例えば黒鉛、グラファイト
、金属粉末または同様の材料）、および揮発性溶媒中のポリマー電解質の混合物
をキャスティングすることが含まれる。この混合物を適切な金属キャリアに塗布
し、揮発性溶媒の除去により乾燥することができる。
【００１４】 適切な高パッキングは、原理的にはこの方法で調製することができるが、実際
には、溶媒蒸発時の「泥クラック」形成のために正電極が低品質であることが多
い。更に、大量の有毒および／または可燃性溶媒の回収を必要とする可能性があ
る。「泥クラッキング」および溶媒の問題を回避するプロセスは、ポリマー電解
質モノマー、電解質塩、ポリマー可塑剤、導電体、および正電極活性材料の混合
物を調製することである。この混合物は、高粘度のペーストを薄い正電極膜に変
換できる押出し法または他の方法によって、金属キャリアに塗布することができ
る。ペーストをキャリアに塗布したら、電子ビームまたは同様の高エネルギー放
射線を使用することにより、その場で重合させることができる。しかし、この方
法により製造された正電極は、加工に充分な低いペースト粘度を維持するために
、高レベルの電解質を必要とする。この理由で、正電極活性材料のパッキングは
、通常は40容量パーセント以下に制限される。
【００１５】 これら正電極の問題は、AAサイズのLi/FeS2セルの正電極を製造するために現
在使用されている、改良バージョンのロールコーティングプロセスを使用するこ
とによって回避することができる。このプロセスでは、ポリマーバインダ、例え
ばポリプロピレン、ポリエチレン-ポリプロピレン共重合体、ポリエチレンオキ
サイド等のポリマーバインダ、正電極材料、導電体、および揮発性溶媒（混合物
の粘度を低下させるため）の混合物が調製される。この混合物は、アルミニウム
箔上にロールコートされ、乾燥して揮発性溶媒を除去し、次いでロールして、滑
らかで均一な電極を製造する。このプロセスで製造された正電極は55パーセント
以上の活性材料容積を有し、高エネルギー密度のセルの製造に適している。 高エネルギー密度のポリマー電解質セルに適した正電極は、バインダーを電解
質ポリマーおよびモノマー類の混合物に置き換え、揮発性溶媒の少なくとも大部
分を適切なポリマー電解質可塑剤に置き換え、最後に、加熱工程の際にモノマー
が重合され得るように、熱開始剤を含めて上記の正電極混合物を調製することに
より製造できることが分かった。適切なモノマー類には、8〜10のポリエチレン
グリコール単位を含むポリエチレングリコールアクリレート、ジアクリレート、
トリアクリレートが含まれる。適切な熱重合開始剤の一例は、2,2'-アゾビスイ
ソブチロニトリルである。リチウム系と化学的に適合する可塑剤には、リチウム
およびリチウムイオンバッテリ液体電解質の製造に通常使用される溶媒が含まれ
る。例えば、ジグライム（ジエチレングリコールジメチルエーテル）、テトラグ
ライム（テトラエチレングリコールジメチルエーテル）、エチレンカーボネート
、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、メチルエ
チルカーボネート、プロピレンカーボネート等を使用すればよい。
【００１６】 ロールコーティング混合物中に電解質塩を含めてもよいが、負電極、正電極お
よびポリマー電解質／セパレータ層を組み合わせたとき直ちにセルが活性化する
のを防止するために、好ましくはこれを省略し、組立てた後にセルの中に導入す
る。 ポリマー電解質セルの製造におけるもう一つの重要な要件は、負電極層と正電
極層との間にポリマー電解質を適用することである。このポリマー電解質層は、
セルが高速で機能することを可能にする充分なイオン伝導性を有していなければ
ならず、更に、負電極および正電極が物理的および電気的に分離されたままであ
るような機械的特性を有していなければならない。高いイオン伝導性を有する電
解質は、50容量パーセント以上の可塑剤（溶媒）を含有し、またプラスチック膜
よりもゲルに近い物理的特性を有することが多い。他の極端な例では、可塑剤レ
ベルを低下させた良好な物理的特性を有するポリマー膜は、一般に、有機液体電
解質および高度に可塑剤を添加したポリマー電解質よりも、2〜3桁小さいイオン
伝導性を有する。
【００１７】 ポリマー電解質セルは、上記のようにして正電極を製造し、これを負電極と対
合させると共に、両者の間にポリマー電解質層を介在させることによって作製さ
れる。このセルは、組み立てられたときに即座に活性化される。部品の何等かの
欠陥またはセル組立機械の機能不全によって、電気的短絡を生じる可能性がある
。短絡したセルは迅速に加熱されて、燃焼する可能性がある。 電解質の機械的性質および生きたセルの組立に関連した安全性の問題は、ポリ
マー電解質／セパレータ層から、電解質可塑剤の大部分、および好ましくは全て
の電解質塩を省略することによって回避することができる。高容量の可塑剤を含
まなければ、電解質はゲルよりもプラスチック膜に近い性質を有するであろう。
更に、電解質塩を含まなければ、この膜は実質的にイオン伝導性を持たず、この
膜と共に組み立てられたセルは電流を流さないであろう。如何なるセルの短絡ま
たは機械の機能不全も、該セルの単純な導通試験によって検出することができる
。
【００１８】 セルを組立ててチェックしたら、可塑剤中の電解質塩の溶液を添加することが
できる。この操作は、電解質溶媒および塩を従来の組立てられた液体電解質セル
に添加するのと同じ方法で行うことができる。この溶液は、プラスチック膜／セ
パレータ層および正電極中に残留する何等かの空隙の中に浸透する。この電極／
セパレータ層は膨潤し、イオン伝導性を獲得する。また、膨潤は良好な電極／電
解質の界面接触を与える。最終的な電解質／セパレータ層は、高度に可塑剤を添
加したゲル電解質と同じ組成、イオン伝導性および機械的特性を有するべきであ
る。この方法では、完全に可塑剤添加されたポリマー電解質に関連した、安全性
の問題および取扱いの問題の両方を回避することができる。 セル間電流を排除するために、バッテリは、過剰な自由液体電解質が存在しな
いように設計および製造すべきである。これは、プラスチック膜／セパレータの
ために電解質を容易に浸透させることができるポリマー材料を選択し、また添加
する電解質の量を、完全に吸収させ得る量に制限することによって達成すること
ができる。過剰な電解質の添加により形成されるセル間の如何なるイオン経路の
抵抗をも最大限にすることにより、意図しない過剰な電解質の効果を最小限にす
るバッテリ構成が好ましい。例えば、密に嵌合した電気的に絶縁性の囲い（例え
ば熱収縮チューブ）の中にセルを配置することによって、一つのセルからもう一
つのセルへとイオンが流れなければならない経路を最大にすることができ、また
過剰な電解質が占められる如何なるキャビティーの断面積をも最小にすることが
できる。
【００１９】 上記のように、ポリマー電解質を使用れば、該電解質は固体であり、従ってバ
ッテリ中の隣接セルの間で流れないから、セルからセルへのシーリングの問題は
回避される。個別のシールされたセルを構築したり、或いは個々のセルを単離す
ることなく、一つの巻回されたジェリーロールの中に複数のポリマー電解質ベー
スの電解質を使用することによって、ポリマー電解質バッテリを構築することが
できる。液体電解質の代わりにこのポリマー電解質を使用することによって、製
造が容易で且つ改善されたエネルギー密度を有する単純な構成を生じることがで
きる。更に、本発明のバッテリは、多重セルの液体電解質バッテリについて必要
とされるような、電解質を分離するための別々にシールされた容器を与える必要
性を回避する。従って、追加の構造上の複雑さおよび付随する費用、並びにこの
ような別の容器のために使用される容器容積は、本発明に従ってかかるバッテリ
を構築することにより回避することができる。 直列に接続された複数の低電圧セルとして、渦状巻回電極アセンブリを有する
バッテリを形成することにより、安価な低電圧部品を使用してセルを構築するこ
とができる。例えば、二セルのアルカリ二酸化マンガンポリマーバッテリは、液
体電解質を用いた一セルのリチウム-二酸化マンガンバッテリを置き換えて、実
質的に同じバッテリ電圧を低コストで提供することができる。
【００２０】 （発明を実施するための最良の形態） 次に、添付の図面を参照して、本発明を更に説明する。 本発明に従って構築されたバッテリ５が、図１および図２に示されている。図
示のように、バッテリ５は、閉鎖端12および開放端14を有するハウジング10を含
んでいる。ハウジング10は、好ましくは化学的に不活性で且つ導電性の、構造的
な剛性材料で構成されている。ハウジング10は円筒状または角筒状であればよい
。以下で更に詳細に説明するように、バッテリ5は、ハウジング10内に配置され
た渦状巻回電極アセンブリ30を含んでおり、また、絶縁層45で分離された少なく
とも第一の電気化学セル50および第二の電気化学セル80を有している。また、以
下で更に説明するように、第一および第二のセル50および80は、正電極、負電極
、並びに正電極および負電極の交互層の間に配置されたポリマー電解質の巻回層
で構成されている。渦状巻回電極アセンブリ30が巻回され、ハウジング10の開放
端14内に配置された後、ハウジング10がクラッシュした場合の内部短絡の可能性
を減少させるように、任意に、コアピン40を渦状巻回電極アセンブリ30の中央に
挿入することができる。
【００２１】 ここで用いる「電気化学セル」または単純に「セル」は、化学エネルギーの直
接変換によって電気エネルギーの供給源を提供するための、電極および電解質／
セパレータのアセンブリを含む基本的機能ユニットを意味する。以下で更に詳細
に説明するように、多重セル構成の各セルはそれ自身の容器を含まない。また、
ここで使用する「バッテリ」の用語は、二つの外部接触末端を提供するバッテリ
ハウジング内に配置されたセルのアセンブリを意味する。 次いで、ハウジング10は、開放端14に近接して形成された周縁ビード16を有し
ていてもよい。ビード16は、カバーアセンブリ20が開放端14に挿入されるときに
、これを係止する棚を与えるために形成される。挿入されたら、カバーアセンブ
リ20は何れかの従来技術を用いて正しい場所にかしめ固定される。
【００２２】 図３に示すように、渦状巻回電極アセンブリ30は、外側に渦を巻く正および負
の電極の交互層を形成するために、正電極52および負電極60をマンドレルの回り
に巻回することにより形成される第一のセル50を含む。第一のセル50が巻回され
た後に、第一のセル50の外側層の回りに電気絶縁層45が巻回される。その後、正
電極90および負電極82の交互層を含む第二のセル80を、絶縁層45を覆ってマンド
レルの回りに巻回する。
【００２３】 図４に示すように、第一の負電極層60は、その一以上の側面にコートされた混
合物65および66を有する導電性箔ストリップ61を含み、第二の負電極82は、その
一以上の側面にコートされた混合物83および85を有する導電性箔ストリップ81を
含む。導電性箔61および81上にコートされた混合物は、同様のタイプの負電極上
に従来使用されている何れかの電気化学的に活性な材料、並びにこのような活性
材料と共に使用される従来の何れかのバインダおよび導電剤を含むことができる
。また、正電極52および90の夫々も、その一以上の側面53および55、95および96
上に夫々コートされた混合物を有する導電性箔の細長いストリップ51および59を
含んでいる。導電性箔51および91上にコートされた混合物は、同様のタイプの正
電極上に従来使用されている何等かの電気化学的活性材料、並びに何れかの適切
な従来のバインダおよび導電剤を含んでいてもよい。正電極および負電極のため
の好ましいコーティングについては、本発明によるバッテリの物理的構成の残り
の説明に続いて、以下で更に詳細に説明する。
【００２４】 図３に示すように、正電極52の金属箔の先端は未コートのまま残され、そこに
導電性タブ56を溶接できるように露出されている。これは、図５および図６に示
すように、渦状巻回電極アセンブリ30の一端から延出する。導電性タブ56は、好
ましくは、カバーアセンブリ20の外部接触末端に電気的に結合されるように構成
される。同様に、負電極82の導電性箔の後端は、そこに第二の導電性タブ86を溶
接できるように露出したまま残される。図５および図６に示すように、第二の導
電性タブ86は、ハウジングの閉鎖端12に電気的に接続されるように、渦上巻回電
極アセンブリ30の反対端から延出する。この方法において、バッテリ5の反対端
に接触末端を設けてもよく、これらはハウジング10内の反対極性の電極に接続さ
れる。更に、第一のセル50の負電極60の露出した導電性箔63を、第二のセル80の
正電極90の露出した導電性箔93に電気的に結合する電極コネクタストリップ47を
設けることにより、第一および第二のセル50および８0を電気的に直列に結合し
てもよい。この方法において、第二のセル80の負電極82を、導電性タブ86および
ハウジング10を介してバッテリ5の負の接触末端に結合し、また正電極90を導電
性タブ56およびカバーアセンブリ20を介してバッテリ５の正の外部接触末端に結
合すると、バッテリ5の外部正端末および負端末の間に現れる電圧は、第一のセ
ル50および第二のセル80のセル電圧の合計に等しくなるであろう。
【００２５】 単純化の目的のために、図３には、セル50および80の負電極および正電極の間
に配置されるポリマー電解質材料の層は示されていない。しかし、図６に最もよ
く示されているように、第一のセル50は、正電極および負電極52および60と共に
マンドレルの回りに巻回される細長いストリップの形で与えられる、ポリマー電
解質の第一および第二の層70および72を使用して構成される。電解質層70および
72は、好ましくは正電極および負電極52および60よりも僅かに広く、巻回プロセ
スの際に何等かの層の整列ミスがあった場合に、それらの間の偶然の接触を防止
する。図４〜図６に示すように、正電極52は先端54（図３）を除く全長に亘って
、好ましくは活性材料の混合物でコートされる。負電極60はその後端62の一方の
側を除き、その全長に亘る両側で、好ましくは活性材料の混合物でコートされる
。この露出した導電性箔63は、電気コネクタストリップ47との電気的接触を可能
にするために与えられる。同様の方法において、正電極90は、コネクタストリッ
プ47に接触するために、その先端に露出した箔部分93を含んでいる。この方法に
おいて、第一のセル50の負電極60の導電性箔は、第二のセル80の正電極90の導電
性箔に電気的に接続してもよい。別のコネクタストリップ47の使用が開示されて
いるが、負電極の導電性箔は、直列接続を形成するための別の素子を使用するこ
となく、直接接触を提供し得ることを当業者は理解するであろう。
【００２６】 図４〜図６に示すように、コネクタストリップ47は電気絶縁層45の一部上に形
成または接着してもよい。図４〜図６に示すように、その上に組立てられたコネ
クタストリップ47を有する絶縁層45を、コネクタストリップ47が正電極90の箔の
露出領域93に接触するように、正電極層90とポリマー電解質層99との間に挿入し
てもよい。正電極90および第二のポリマー電解質層97の先端を越えて伸びるコネ
クタストリップ47の一部と共に、第二のセル80の先端を越えて伸びるコネクタス
トリップ47の一部を負電極の露出された箔領域63に整列させて、絶縁層45を第一
のセル50の負電極60を覆って適用してもよい。好ましくは、絶縁層45は第一のセ
ル50の周縁よりも僅かに長い。この方法において、絶縁層45は、第二のセル80の
如何なる層の巻回よりも前に、第一のセル50の最外層の回りに完全に巻回される
であろう。
【００２７】 当業者は、絶縁層45または第二のセル80の何れかの層を適用する前に、第一の
セル50をマンドレルの回りに巻回してもよいことを理解するであろう。或いは、
完全な渦状巻回電極アセンブリが巻き上げられるまで巻回プロセスを停止する必
要がないように、巻回する前に、絶縁層45を第一のセルの後端および第二のセル
80の先端に接着してもよい。 渦状巻回電極アセンブリ30のための二つのセルが開示されているが、当業者は
、一方のセルの負電極または正電極を、上記と同様の方法で後続のセルの正電極
または負電極に接続することによって、追加のセルを含め得ることを理解するで
あろう。更に、正電極層と負電極層との間に電解質層が巻回される限り、渦状巻
回電極内の層の配置もまた変化し得ることが理解されるであろう。更に、渦状巻
回電極アセンブリ内でセルが相互に絶縁される方法、およびセルが電気的に直列
に結合される方法は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、上記で例示
した特定の例を変形することができる。
【００２８】 上記のように、ポリマー電解質のような固体または半固体の電解質は、微孔質
セパレータの必要性を排除することができ、また液体電解質のない最終製品を提
供するから、これを使用することは魅力的である。こうして、微孔質セパレータ
を排除することによって、バッテリの全体のコストを低減することができる。更
に、このようなセパレータにより生じるセルの初期抵抗の増大もまた低減するこ
とができ、その結果、セルの高速性能における低下も低減することができる。 円筒形のハウジングを有し、その中に配置された円筒形の渦状巻回電極アセン
ブリを有する円筒形のバッテリを参照して、上記バッテリの構成について説明し
てきたが、本発明は図７に示す角柱状バッテリ100のような、角柱状バッテリ等
として実施してもよい。図７に示すように、角柱状バッテリ100は、複数の平坦
面を有するバッテリハウジング110を含んでいる。渦状巻回電極アセンブリ130は
、角筒状バッテリハウジング110内により高率的に適合するように、パドル形状
のマンドレルの回りに巻回すればよい。従って、この構成では、渦状巻回電極ア
センブリは非円筒形状を有するであろう。
【００２９】 上記の多重セルバッテリの構成は、一次バッテリおよび二次（再充電可能）バ
ッテリの両方を構成するために使用することができる。本発明と共に使用できる
電気化学システムの例には、水性電解質を有するアルカリ二酸化マンガン、ニッ
ケルカドミウム、ニッケル水素化金属、および亜鉛空気システム、並びに非水性
電解質タイプのリチウム型およびリチウムイオン型が含まれる。リチウムバッテ
リは好ましくは一次バッテリであり、ここではリチウムおよびその合金が好まし
い負電極活性材料であり、MnO2、FeS2、(C2F)n、(CF2)n、CuS、およびCuS2が好
ましい正電極活性材料である。リチウムイオンバッテリは好ましい二次セルであ
り、ここでは負電極および正電極の材料として、リチウム介入性／介入材料が使
用される。負電極のための好ましい材料は、グラファイト、非晶質炭素および中
間相炭素のような炭素質材料、遷移金属の酸化物および硫化物、シリコンおよび
／または錫を含有する非晶質金属酸化物である。正電極のための好ましい材料は
リチウム化金属酸化物、特にコバルト、ニッケルまたはマンガンを含むものであ
る。その例には、LiCoO2およびLiMn2O6が含まれる。リチウムセルおよびリチウ
ムイオンセルのために典型的に使用される電解質塩には、LiPF6、LiAsF6、LiBF4 、LiClO4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)NおよびLiIが含まれる。好ましい電解質溶媒は
電解質塩が可溶性であり、また下記で述べるように、ポリマー電解質セパレータ
のための可塑剤として働く非水性溶媒である。
【００３０】 本発明で使用するための電極は、電極アセンブリに渦状に巻回できる電極を製
造するのに適した何れか公知の方法で製造できる。このような方法には金属箔、
スクリーン若しくはフォーム、穿孔金属シート、または発泡金属シートのような
可撓性の導電性基体に、活性電極材料でコーティング、ラミネート化または含浸
する方法が含まれる。活性材料およびバインダのスラリーを薄い金属箔の上にロ
ールコーティングするのが、リチウムセルおよびリチウムイオンセルのための電
極を製造する好ましい方法である。一次セルおよび再充電可能なセルの両方につ
いて、負電極が形成される箔は好ましくは銅製であり、正電極が形成される箔は
好ましくはアルミニウム製である。幾つかのセル構成において、負電極および正
電極の一方は導電性箔を利用しないで形成してもよい。このような場合、コネク
タストリップ47は、かかる電極の活性材料に直接接触するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って構築されたバッテリの斜視図である。
【図２】 図１に示したバッテリのII−II面に沿った断面図である。
【図３】 図２に示したバッテリのIII−III面に沿って見たときの、本発明に従って構築
された渦状巻回電極アセンブリの単純化された断面図である。
【図４】 図３に示した断面においてIVで示した渦上巻回電極アセンブリの一部を示す拡
大断面図である。
【図５】 本発明に従って構成された渦上巻回電極アセンブリの一部分解斜視図である。
【図６】 図５に示したのと反対側から見たときの、本発明に従って構築された渦状巻回
電極アセンブリの部分的な分解斜視図である。
【図７】 本発明に従って構築されたシールされていない角柱状のバッテリを示す斜視図
である。
【符号の説明】
３０ 電極アセンブリ ４５ 電気絶縁層 ５０ 第一のセル ５２、９０ 正電極 ６０、８２ 負電極 ８０ 第二のセル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 5H024 CC02 CC12 DD09 DD14 5H025 AA03 CC11 CC34 5H028 AA08 CC12 5H029 AJ00 AJ14 AK02 AK03 AK04 AK05 AK06 AL04 AL06 AL12 AM03 AM07 BJ02 BJ13 BJ14 CJ07 DJ04

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ハウジングを備えたバッテリであって、該ハウジングは渦状
    に巻回された電極アセンブリを有する少なくとも二つのセルを含み、各アセンブ
    リはポリマー電解質により分離された正電極層および負電極層を有し、前記セル
    は直列に接続されているバッテリ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のバッテリであって、少なくとも一つのアセ
    ンブリがもう一つのアセンブリの回りに巻回されるバッテリ。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のバッテリであって、少なくとも一
    つのアセンブリがもう一つのアセンブリの上にスタックされるバッテリ。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れか１項に記載のバッテリであって、前記
    セルは何れの直列接続をも除いて、相互に絶縁されるバッテリ。
  5. 【請求項５】 ハウジングと； 該ハウジング内に配置され、電気的に直列に接続された少なくとも二つの同心
    円状の電気化学セルを形成する渦状巻回電極アセンブリであって、前記セルの夫
    々は正電極、負電極、並びに正電極層と負電極層との間に配置されたポリマー電
    解質の巻回された層を含む渦状巻回電極アセンブリとを具備するバッテリ。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載のバッテリであって、前記セルは、さもなけ
    れば相互に隣接するはずのセルの電極層の間に巻回された絶縁層によって相互に
    電気的に絶縁されているバッテリ。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６の何れか１項に記載のバッテリであって、前記
    セルは、一方のセルの正電極ともう一つのセルの負電極との間の電気的コネクタ
    ストリップによって電気的に直列に接続されるバッテリ。
  8. 【請求項８】 前記バッテリは再充電可能なバッテリである、請求項１〜７
    の何れか１項に記載のバッテリ。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載のバッテリであって、前記負電極はリチウム
    を挿入することの可能な炭素質活性材料を含み、前記正電極はリチオ化金属酸化
    物活性材料を含むバッテリ。
  10. 【請求項１０】 前記バッテリは一次バッテリである、請求項１〜７に記載
    のバッテリ。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のバッテリであって、前記負電極はリチ
    ウム金属またはリチウム合金を含み、前記正電極は金属酸化物または金属硫化物
    を含むバッテリ。
  12. 【請求項１２】 請求項１〜１１の何れか１項に記載のバッテリであって、
    前記正電極および前記負電極の少なくとも一方は、両側を活性材料でコートされ
    た細長い導電性ストリップを含むバッテリ。
  13. 【請求項１３】 請求項１〜１２の何れか１項に記載のバッテリであって、
    前記正電極および前記負電極は夫々、両側を活性材料でコートされた細長い導電
    性ストリップを含むバッテリ。
  14. 【請求項１４】 請求項１〜１３の何れか１項に記載のバッテリであって、
    前記ハウジングは円筒形であり、前記渦状巻回電極アセンブリは円筒形であるバ
    ッテリ。
  15. 【請求項１５】 請求項１〜１３の何れか１項に記載のバッテリであって、
    前記ハウジングは角柱状であり、前記渦状巻回電極アセンブリは非円筒形である
    バッテリ。
  16. 【請求項１６】 多重セルバッテリを組み立てる方法であって： 正電極、負電極およびポリマー電解質の交互の層を巻回することにより、第一
    の電気化学セルを形成する工程と； 前記第一のセルの正電極および負電極の一方を、第二の電気化学セルの反対極
    性の電極に電気的に接続する工程と； 正電極、負電極およびポリマー電解質の交互の層を巻回することにより、第二
    の電気化学セルを形成する工程と； 前記第一および第二の巻回されたセルをバッテリハウジングの中に配置する工
    程とを具備する方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の方法であって、前記第二のセルは第一
    のセルの巻回層の回りに巻かれる方法。
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