JP2004523091A - 積層ウェハーセルのバイポーラ型電気化学バッテリー - Google Patents

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Abstract

本発明のバイポーラ型電気化学バッテリー（１）は、直列に配列された少なくとも２つの電気化学セルのスタック（１４）；（ｄ）第１内部金属層（７）と第１ポリマー外層（８）とを含んで成り、該第１外層（８）が該第１内部金属層（７）を露出させるために少なくとも１つの穿孔（９）を有する、負極（２）の外面と電気接触している第１電気伝導性積層（５）；並びに（ｅ）第２内部金属層（７ａ）と第２ポリマー外層（８ａ）とを含んで成り、該第２外層（８ａ）が該第２内部金属層（７ａ）を露出させるために少なくとも１つの穿孔（９ａ）を有する、正極（３）の外面と電気接触している第２電気伝導性積層（６）を含んで成り；該第１及び第２積層（５及び６）は互いに周囲を封止されて、電極（２、３）、セパレータ（４）及び電解質を含むエンクロージャーを形成している。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、国家航空宇宙局によって与えられた契約ＮＡＳ３−２７７８７のもと、政府の支援で行われた。政府は本発明に特定の権利を有する。
【０００２】
本発明は一般に、電気化学セル及びマルチセルバッテリーを作製するための包装方法、並びに製造技術に関する。特に本発明は、高いエネルギー貯蔵容量と効率的なバッテリー性能とを有する、一次及び充電式バイポーラ型バッテリー構造に有用な電気化学セル構築物に関する。より具体的には本発明は、正及び負極構造を含む電気化学セル、並びにマルチセルバッテリー構築物において積層可能なこのようなセルを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
マルチセルバッテリーは広範囲の電気化学系で典型的に構築され、しばしば円柱又は角柱のハウジングで包装される。個々のセルが導電性のリンクによって直列に接続され、マルチセルバッテリーが作製される。このような構築のアプローチが、個々のセル区画の良好な封止及び確実な作用を考慮する。しかしながら、このような構築物は、マルチセルバッテリーの質量及び体積の大部分を包装が占め、したがってセルの活性成分のエネルギー貯蔵能力を十分には利用していない。質量及び体積ベースでバッテリーのエネルギー貯蔵容量を改善するために、包装の質量及び体積を低減しかつ安定したバッテリー性能及び低内部抵抗を提供する包装のアプローチが求められる。
【０００４】
これらの目的は、電気伝導性バイポーラ層が隣接するセル間の電気的な相互接続、及びセル間の仕切りとして働くバイポーラ型構築物の追求をもたらした。この種の構築物においては、電流は全セル領域にわたってセルからセルへ垂直に流れ、したがってハイレート能力を向上させる。しかしながら、バイポーラ型構築物を効率よく利用するためには、バイポーラ層はセルからセルへ電流を伝導するのに十分導電性で、セル環境において化学的に安定で、電極への良好な電気接触を作製及び維持でき、かつセル中に電解質を含有するためにセルの境界周囲で電気絶縁及び封止できるべきである。これらの特徴は、充電式バッテリーではバイポーラ層の腐食を加速させる場合がある充電電位のために、及びアルカリバッテリーでは電解質のクリープ特性のために達成することがより困難である。これらの特性の適切な組み合せを達成することは非常に困難であることが判明した。
【０００５】
メンテナンスフリーの操作のためには、封止された形状で充電式バッテリーを操作することが望ましい。しかしながら、封止されたバイポーラの設計は、セル操作の間に存在する又は発生したガスを封じ込めるのに構造的に劣る場合がある、平坦な電極及び積層されたセル構築物を典型的に利用する。封止されたセル構築物においては、安定な操作のためにセル内部で化学的に再結合する必要のあるガスが充電中に発生する。ガス圧を封じ込めるのに用いられる構造物の質量を最小限に抑えるためには、バッテリーは比較的低い圧力で操作されるべきである。圧力の封じ込めに必要な条件によって、安定したバイポーラの形状を設計することに関して新たな難題が生じる。
【０００６】
さらには、バッテリーの通常操作の間に発生する熱を除去する必要性が、バイポーラ型構築物の緻密性のためにバイポーラ型構築物において制限的な設計要素である場合がある。したがって、最適なバイポーラの設計は、操作中に発生する熱の除去を考慮すべきである。
【０００７】
米国特許第５，３９３，６１７号明細書において、一次及び充電式電気化学ウェハーセルに適応した電極構造が開示されている。該特許に記載されている実施態様によれば、平坦なウェハーセルは、電極の接触物及びセルの封じ込め手段として働く導電性の炭素充填ポリマー外層を含む。マルチセルの高電圧バッテリーは、個々のセルを積層することで構築できる。とりわけ調製された電極及び処理技術はウェハーセル構築物に適合しており、ニッケル水素化物バッテリー系について特に開示されている。該特許に開示されているセルの設計及び電極の調製は、ベントをつけた若しくは封止されたセルの個々の操作、及び／又は外部バッテリーハウジング中で積層された配列であるこれらのセルの操作を考慮している。
【０００８】
前記米国特許第５，３９３，６１７号明細書の上述の構築アプローチは有利であり、異なる容量、電圧及び化学を有するバッテリーを設計するのに柔軟であることが判明した。しかしながら、出願人の譲受人の監督下で働く科学者及びエンジニアは、さらに改良されたウェハーセル及びバッテリー構築物、並びにそれらの作製方法を開発しようと引き続き努めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、マルチセルバッテリー用バイポーラ型構築物の望ましい包装の利益を達成するための手段、並びにいくつかの先のアプローチの材料及び構築物の問題を克服するための手段を提供する。各種セルの構築材料は各バッテリー化学に特有であるが、本明細書に開示される一般的なバイポーラ型構築物は、多くの種類の電気化学セルに用いることができる。特には、以下のいくつかの実施態様及び例は、充電式ニッケル−金属水素化物の化学に関するが、一般には他の化学に適応することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の利点は、改善されたエネルギー貯蔵容量を有し、一方で安定かつ効率的なバッテリー性能、並びに長期的な化学的及び物理的安定性を提供する、一次及び／又は充電式マルチセルバッテリーのためのバイポーラ型バッテリー構築物を提供することに関する。
【００１１】
本発明の別の利点は、封止された形状を有する平坦な電気化学セルを用いたバイポーラ型バッテリー構築物を提供することに関する。
【００１２】
本発明のさらに別の利点は、ニッケル−水素化物電極を使用できるバイポーラ型バッテリー構築物を提供することに関する。
【００１３】
これら及びさらに他の利点並びに利益は以下、即ち、
電気的に直列に配列された少なくとも２つの電気化学セルのスタックを含んで成り、各セルの正の面が隣接するセルの負の面に接触している、バイポーラ型電気化学バッテリーを作製することによって達成でき、該セルのそれぞれが、
（ａ）負極
（ｂ）正極
（ｃ）電解質を含有する電極間のセパレータ
（ｄ）第１内部金属層と第１ポリマー外層とを含んで成り、該第１ポリマー外層が該第１内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、負極の外面と電気接触している第１電気伝導性積層、及び、
（ｅ）第２内部金属層と第２ポリマー外層とを含んで成り、該第２ポリマー外層が該第２内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、正極の外面と電気接触している第２電気伝導性積層
を含んで成り、該第１及び第２積層が互いに周囲を封止されて、該電極、該セパレータ及び該電解質を含むエンクロージャーを形成している。
【００１４】
さらに本発明は、
（ａ）負極
（ｂ）正極
（ｃ）電解質を含有する電極間のセパレータ
（ｄ）第１内部金属層と第１ポリマー外層とを含んで成り、該第１ポリマー外層が該第１内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、負極の外面と電気接触している第１電気伝導性積層、及び、
（ｅ）第２内部金属層と第２ポリマー外層とを含んで成り、該第２ポリマー外層が該第２内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、正極の外面と電気接触している第２電気伝導性積層
を含んで成り、該第１及び第２積層が互いに周囲を封止されて、該電極、該セパレータ及び該電解質を含むエンクロージャーを形成している、電気化学ウェハーセルに関する。
【００１５】
なおさらに本発明は、
（ａ）第１内部金属層と第１ポリマー外層とを含んで成り、該第１ポリマー外層が該第１内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、負極と電気接触可能な第１電気伝導性積層、及び、
（ｂ）第２内部金属層と第２ポリマー外層とを含んで成り、該第２ポリマー外層が該第２内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、正極と電気接触可能な第２電気伝導性積層
を含んで成り、該第１及び第２積層が互いに周囲を封止されて、ウェハーセルの内容物を収容するアッセンブリを形成できる、ウェハーセルの内容物を収容するアッセンブリに関する。
【００１６】
本発明の更なる利点は、電流が穿孔で露出された積層の金属層を容易に流れることができることによる、セル及び／又は隣接するセルを貫く向上した伝導に関する。
【００１７】
本発明の更なる利点は、開示されるバイポーラ型電気化学バッテリー、及び該バイポーラ型電気化学バッテリーの製造方法、並びにその中に用いられるウェハーセルの以下に続く詳細な説明から当業者にとって明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施態様の以下に続く説明は、当業者が本発明を実践できるようにする詳細な説明の提供を意図するものであるが、本発明の範囲は、以下に提供される具体的な製品又は方法の詳細の範囲に限定されない。
【００１９】
主題の発明のバイポーラ型電気化学バッテリーは、第一に電気化学ウェハーセル１を調製することに関する。図１及び図２Ｂは、負極２及び正極３から構成されるウェハーセル１を図式的に説明した実施態様を示す。電極はセパレータ４によって互いに直接物理的に接触するのを防がれ、２つの外層、即ち、それぞれ負極２と正極３に電気接触する第１電気伝導性積層５と第２電気伝導性積層６の間に収容される。図１及び図２Ｂに示されるように、本発明の実施態様は、電極２及び３、該電極間のセパレータ４、並びに２つの外部積層５及び６がそれぞれ実質的に平坦でかつ隣接する部品にしっかりと物理的に接触し、それにより有利に薄いウェハーセルの構築を可能にする、電気化学セル１を含んで成る。
【００２０】
本発明に用いられる負極２は、その技術分野で公知の任意の負に帯電された電極であることができる。例えば、負極２はカドミウム、鉄、水素、亜鉛、銀、金属水素化物、リチウム、鉛、リチウム−炭素材料、例えば炭素含有リチウム材料、及びそれらの混合物の群より選択された材料から作製できる。電極２の更なる材料は、ニッケル水素化物、鉄水素化物、リチウム水素化物、銅水素化物、及びそれらの混合物を含むことができる。本発明の別の実施態様においては、負極２は電気化学的かつ可逆的に水素を貯蔵できる結合された金属水素化物合金の粉末である。このような好適な電極は、米国特許第４，４８７，８１７号明細書、同第４，７２８，５８６号明細書、同第５，５５２，２４３号明細書、同第５，６９８，３４２号明細書、及び同第５，３９３，６１７号明細書に開示されている電極材料を含むがそれらに限定されない。特には、好適な合金調合物は、例えばミッシュメタル水素化物合金と通例称されるものを含むことができ、それはＭｎＮｉ３．５Ｃｏ０．７Ａｌ０．８３、ＡＢ５型又はＡＢ２組成物などの水素化物形成金属の合金から構成することができる。
【００２１】
同様に正極３は、ニッケル型電極又はより簡単にはニッケル電極と典型的に称されるものを含めて、その技術分野で公知の任意の好適な正に帯電された電極であることができる。水酸化ニッケルはニッケル電極の活性成分であり、ニッケル電極の例は、米国特許第５，３９３，６１７号明細書、ドイツ特許第４９１，４９８号明細書、及びイギリス特許第９１７，２９１号明細書に開示されている。例えば該電極３は、焼結、プラスチック結合又はペースト状発泡のニッケル電極であることができる。あるいはまた、正極３は本明細書で引用した特許に開示されているように、ニッケルの酸化物又は水酸化物以外の材料から作製できる。正極３に好適な材料は、酸素、ニッケル、リチウム、マンガン、銅、コバルト、銀、マンガンの酸化物又は水酸化物、銅の酸化物又は水酸化物、水銀の酸化物又は水酸化物、銀の酸化物又は水酸化物、マグネシウムの酸化物又は水酸化物、（リチウム充電式バッテリーで用いられる電極を含む）リチウムの酸化物又は水酸化物、及びそれらの組み合せを含むことができるがそれらに限定されない。本発明の実施態様においては、負極２及び正極３は平坦であり、米国特許第５，３９３，６１７号明細書又は同第５，５５２，２４２号明細書の説明に従って作製される。
【００２２】
電極２及び電極３はそれぞれ、隣接するセル間で電流を運ぶための電流コレクターを含むこともできる。隣接する電極間の電流経路が比較的短く、かつ隣接するセル間の物理的及び電気的な接触面積が隣接する構成部品の総面積に比べて大きいので、このような電流コレクターは必ずしも必要でない場合がある。さらに電極は、セルを重くしかつ複雑にする電流コレクターを有することなくセルを操作するのに典型的に十分導電性である。
【００２３】
電極２及び電極３は、図１及び図２Ｂの実施態様に示されるように、電極２及び電極３の端を越えて拡張するセパレータ４を用いることで、互いに直接物理的に接触することを防ぐことができる。セパレータ４は、ポリアミド又はポリプロピレン繊維などの合成樹脂繊維から典型的に作製される。セパレータ４はまた、無機層又は当業者に公知の他の好適なセパレータ材料を含むが、それらに限定されない材料から作製することもできる。本発明の実施態様においては、セパレータ４は平坦であり、セル１の内部に電解質を吸収及び含有するための多孔質構造を有する。
【００２４】
典型的には、アルカリ化学について、電解質は水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、及び水酸化カリウムなどの１つ又は複数のアルカリ水酸化物の水溶液を含む。本発明の実施態様においては、セパレータ４は２層の不織布ポリオリフィンを含んで成り、電解質はアルカリ溶液を含んで成る。ニッケル−金属水素化物系の更なる実施態様においては、アルカリ溶液は水酸化カリウムと水酸化リチウムの混合水酸化物である。
【００２５】
電極２、電極３及びセパレータ４は、第１電気伝導性積層５と第２電気伝導性積層６を用いることでウェハーセル１の内部に収容でき、出願人が規定した第１電気伝導性積層５と第２電気伝導性積層６の使用は、先のアプローチに対して利点を提供する。該第１積層５は、図１及び図２Ｂの実施態様に示されるように、該第２積層６に等しくかつ反対側にある。該第１積層５は、第１内部金属層７と第１ポリマー外層８を含んで成る。該第１ポリマー外層８は、図２Ａの実施態様に示されるように、その中に少なくとも１つの穿孔９又は開口を有し、該第１内部金属層７を露出させ、セル１を貫く伝導のための接触点を提供する。同様に、該第２積層６は、第２内部金属層７ａと第２ポリマー外層８ａを含んで成る。該第２ポリマー外層８ａも同様に、その中に少なくとも１つの穿孔９ａを有し、該第２内部金属層７ａを露出させ、同様にセル１を貫く伝導のための接触点を提供する。穿孔９及び９ａは、図３の実施態様に示されるように、セルからセルへ最適な伝導を与えるために互いに関して一列に並べることができる。
【００２６】
積層の金属層７及び７ａは任意の金属材料から作製でき、種々の形状及びサイズであることができる。例えば、金属層７及び７ａは、それぞれ負極２及び正極３と同じサイズの薄い金属箔からそれぞれ作製され、図１、図２Ｂ及び図３の実施態様に示されるようにそれぞれの電極と一列に並べられる。いくつかの層を用いることも可能である。金属層７及び７ａに好適な材料は、当業者に周知のメッキ材料を含めて、銅、アルミニウム、鋼、銀、ニッケル及びそれらの混合物を含むがそれらに限定されない。該箔の厚さは、設計仕様に応じて及びその要求を満たすために、実際、例えば約０．０００３インチ〜約０．００５インチと同じくらい薄くできる。
【００２７】
電気接触を向上させるために、導電性エポキシ又は当業者に周知の他の好適な材料など、導電性のペースト又はセメントが、各金属層とそれが接触する各電極との間に適用できる。０．０００５〜０．００１インチ厚さの導電性セメントの薄層がこの目的を果たすことができる。
【００２８】
積層の第１及び第２ポリマー外層８及び８ａは、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリソホン（polysofon）、ポリ塩化ビニル及びそれらの混合物を含むが、それらに限定されない任意の好適なポリマー材料から作製できる。ポリマー外層８及び８ａの材料は電気伝導性である必要はない。この特徴の利点は、ポリマー外層のための材料の選択がそれゆえこのような要件に制限されないことである。ある実施態様においては、各層８及び８ａは、約０．００１〜約０．００３インチ厚さのポリプロピレン膜の層である。さらに各層８及び８ａは、セル環境において熱的に安定でかつ化学的に安定であることができる。
【００２９】
封止界面１１を作り出す任意の好適な封止機構によって、第１ポリマー外層８を第１内部金属層７に貼り付けて積層５を形成できる。同様に、任意の好適な封止機構によって、第２ポリマー外層８ａを第２内部金属層７ａに貼り付けて積層６を形成でき、それにより同様に封止界面１１ａを作り出す。例えば、好適な封止機構は、アスファルト、タール、ネオプレン、ゴム、エポキシ、セメント及びそれらの組み合せの結合剤の使用を含むがそれらに限定されない。
【００３０】
本発明の１つの実施態様においては、セル１からの電解質についての潜在的なリーク経路は、穿孔の最も近い個所に対する金属層の端周囲で、第１又は第２内部金属層（７、７ａ）と各第１又は第２ポリマー外層（８、８ａ）の間の界面（１１、１１ａ）に沿っている。効果的な封止を作るために、セルの電解質環境において化学的に安定なセメントなどの適切な接触材料が、界面を覆いかつそれにより潜在的なリークを防ぐのに十分な例えば約０．０００３〜０．００１インチの量で（複数の）穿孔の端周囲に適用できる。好適な接触セメントは、アスファルト、タール、ネオプレン、ゴム、エポキシ、セメント及びそれらの組み合せを含むがそれらに限定されない。
【００３１】
電極２、電極３、該電極間のセパレータ４及び電解質を囲まれたウェハーセルの中に収容するために、積層５及び６の第１及び第２ポリマー外層８及び８ａは、図１及び図２Ｂに示されるように、隣接する電極の全周に電極よりも大きな物理的面積を有することができる。加えて、本発明の実施態様においては、それぞれ内部金属層７及び７ａを越えてさらに拡張する第１及び第２ポリマー外層８及び８ａが、有利には互いに貼り付けられて、ウェハーセル１の周囲に封止を提供する。プラスチックジョイント１０に対するプラスチックを作り出すことのできる周囲に沿ったこのような封止は、ヒートシール又はポリマー外層８及び８ａ材料に結合するセメント若しくは充填剤材料の利用を含むが、それらに限定されない任意の好適な公知技術によって達成できる。したがって、これによって有利には、ウェハーセル１のための封止されたエンクロージャーが得られる。
【００３２】
囲まれたウェハーセル１は完全に封止できるか、或いは充電の間に増した過剰な圧力を軽減するために、１つ若しくは複数のベント又はリリーフバルブを備えることができる。平坦なセル構築物は、圧力格納容器について最適な物理的形状でない場合があるので、大気圧で作用する水素化物合金の使用が特に有用な場合がある。完全に封止された形状が用いられる場合、正極の容量によって電気化学的に制限されるデザインが同様に有利な場合がある。この種のデザインについては、水素化物電極の利用可能な全水素貯蔵容量が完全に利用される前に、酸素ガスが正極で充電サイクルの終わりに発生する。正極で作り出された酸素は負の水素化物電極へ移動でき、圧力の過剰な増大の防止を助長するために、水素化物電極において水素と化学的に再結合できる。酸素と水素の化学再結合は、本明細書において酸素再結合反応と称する。したがって、例えば、酸素ガスの負極への移動を向上させる手段、及び酸素の水素化物電極表面での水素との効率的な化学再結合を促進させる手段を開示している、米国特許第５，３９３，６１７号明細書の説明が興味深い場合がある。
【００３３】
当業者はまた、ウェハーセル１が乾燥した状態で作製でき、その後適切なパッチで封止できる、真空充填又は圧力充填のための積層５及び６の１つを貫く充填ポートを備えることができるということも理解するであろう。この技術においては、セル中の空気はセルに備えられた充填ポートから吸引でき、差圧によって電極及びセパレータの細孔に電解質を押込む。あるいはまた、電極２、電極３及びセパレータ４は、前述した周囲の封止がウェハーセル１に関して作製される前に、適切な量の電解質を用いて前もって湿らせるか、又は前もって濡らすことができる。例えば、セルに導入される電解質の量は、電極及びセパレータの細孔容積の６０〜９０％を満たすことができる。
【００３４】
本発明のある実施態様においては、第１電気伝導性積層５は、図１及び図２Ｂに示されるように、少なくとも１つの穿孔９を介して負極２の外面と電気接触している。同様に、第２電気伝導性積層６は、図１及び図２Ｂに同様に示されるように、少なくとも１つの穿孔９ａを介して正極３の外面と電気接触している。したがって、穿孔９及び９ａを含む出願人の積層設計は、有利にはセル２及び／又は隣接するセルを貫いてその上、セル１の正及び負面に電気接触できるようにする。穿孔９及び９ａのサイズ及び間隔は、最適な封止及び電流容量のためにいくつかの設計要素によって決定できる。例えば、配列は穿孔９及び９ａを箔の端から少なくとも０．２５インチに保つことである。サイズ及び穿孔の間隔はセルの電気的な要件によって決定できる。
【００３５】
次に図３について言えば、いくつかのウェハーセル１を積層することで作製できる、本発明のマルチセルバッテリースタック１４の実施態様が図３に示される。該ウェハーセルは電気的に直列に配列され、各セルの正の面が隣接するセルの負の面に接触している。この実施態様においては、スタック１４を貫く電気伝導経路は、電極から金属箔層へ、内部で該箔を通って穿孔へ、そして該穿孔を通ってスタック１４の隣接するセルへが有利である。
【００３６】
該バッテリースタックの端部のセルはまた、米国特許第５，３９３，６１７号明細書に記載されているように、バッテリースタックからバッテリー端子に電流を導くために金属箔の接点を有することもできる。さらに、穿孔点での端部のセルと該箔との間の接触又はセルとセルの接触は、導電性のペースト、セメント又は金属充填剤ディスクなどの材料を使用することで増強できる。コンパクトなスタックアッセンブリは、隣接するセル間及び各セル内の各層間の均一な物理接触を確実にするために、圧縮して保持することができる。スタックの圧縮は、スタックの周囲を取り囲む外部固定棒を有する硬質の端板を用いることによって達成できるか、又は例えば米国特許第５，３９３，６１７号明細書に記載されているように、個々の電気化学セルに設けられる封止された穴を通して貫通する内部固定棒を有することによって達成できる。その穴は、固定棒とセルの電気伝導性部品との間のリーク及び電気接触を防ぐために封止できる。
【００３７】
あるいはまた、スタックは図４に示されるように外部バッテリーハウジング１２に収容できる。電極の膨張及びスタックの不規則性を考慮するために、該スタックは、金属箔の接点の１つ又は両方と、外部ハウジングの端板との間にスポンジゴムの層を用いて圧縮して保持できる。スプリング若しくはガスを充填した圧縮可能なパッド１３又は袋状組織をスポンジゴムの代わりに用いることもできる。同様にバッテリーは、セルスタックの軽い棟（ridge）を封じ込めるために、ハニカムプレートを用いてハウジングに収容できる。例えば、端板の質量を低減するために、軽量構造の設計に熟練した者によく知られているハニカムシート又はリブを付けたデザインを用いることができる。さらに、セルスタックが囲まれた外部ハウジングに収容される場合、外部ハウジングはスタックの圧縮を与えるのに利用でき、該ハウジングは封止できるか、又はベントをつけることができる。
【００３８】
複合セルはそれぞれ小さなベントポートを有することができ、該セルはバッテリーハウジングとして働く封止された容器に収容できる。該セルがベントをつけている場合、バッテリーハウジングは、通常の圧力測定装置を備えることができる。このような装置は、圧力ゲージ、変換器及び／又は圧力スイッチであることができる。圧力測定装置は、バッテリー圧力を監視するために、及び充電サイクル中の充電電流の大きさと持続時間を調節するために用いることができる。充電電流のこのような調節は本明細書で充電制御と称される。セルの全面にわたって均一な圧縮と接触を保証するために、スタックはまた内部固定棒を含むこともできる。封止された容器は、内部のガスをベントするために圧力リリーフバルブをさらに有することができる。個々のウェハーセル１は本明細書の説明に従って作製でき、例えば上述した圧力ゲージ等の他のバッテリー部品は、公知の方法を用いて作製できるか、又は当業者に公知の供給源から得ることができる。
【００３９】
改善された伝熱のために、１つ又は複数の付加的な金属箔層が、望まれる場合にはセル間に又は周期的にセル間に配置できる。あるいはまた、セルの端は、バッテリーハウジングの側壁に対するサーマルインターフェースを改善するために拡張することができる。例えば、安定した熱作用のために、バッテリー作用の間に発生した熱はバッテリーの周囲から除去されるべきである。内部の伝熱を改善するために、望まれる場合には、付加的な金属箔層が例えば金属層及び／又はポリマー層に隣接するようスタックに配置できる。さらにセルの端は、バッテリーハウジングの側壁と接触して側壁に対する熱接触を保証するよう拡張できる。
【００４０】
以下に続く例は、本発明の特定の具体的な代表的実施態様がどのように作製できるかを示すことに関して詳細に本発明を説明しており、材料、装置及びプロセス工程は、単に説明的であることを意図している例として理解される。特に本発明は、本明細書で具体的に挙げた方法、材料、条件、プロセスパラメータ、装置等に限定されることを意図していない。
【００４１】
この適用を通して種々の特許が参照された。これによって、例えば本発明が関係する技術状況をより十分に説明するために、これら特許のそれぞれの説明及び開示が全体としてその参照によりこの適用に含まれる。
【００４２】
本明細書に開示される本発明の原理の変形態様が、当業者によって作製できるということが理解及び期待されるべきであり、このような改良は本発明の範囲内に含まれるべきであるということを意図している。
【実施例】
【００４３】
［例１］
１つの正のニッケル電極と、１つの負の金属水素化物電極を含むただ１つのウェハーセルを図１に示される配列で作製した。米国特許第５，３９３，６１７号明細書に記載されている手順に従って該電極を調製した。特には、該水素化物電極はミッシュメタル水素化物合金４５グラムと、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））粉末０．５グラムと、ＣｕＯ４．５グラムとの混合物をブレンドすることで調製した。ここで用いた該ミッシュメタル水素化物合金は、ＭｎＮｉ３．５Ｃｏ０．７Ａｌ０．８の合金から構成されていた。約０．１２５〜０．２５インチの粒子として得た該水素化物合金を、真空と２００ｐｓｉの間で５回、乾燥した圧力で水和することにより断片化して、約５０ミクロンの平均粒子サイズを作製した。該混合物は、高速混合機において３０秒間を２回混合した。次いで該混合物をおよそ０．０６０インチ厚さの層に延ばし、次いでそれを折り畳み、最初の方向から約９０度の方向に０．０６０インチ厚さに圧延した。（ＰＴＦＥ）テフロン（登録商標）粉末をフィブリル化して、他の成分を含有及び結合する繊維状のレースのような網目構造を形成する程度まで、回転方向における上記の折り畳み及び圧延を連続して７回繰返した。それぞれの工程について、直前の工程の折り畳み及び圧延の方向から約９０度の方向に折り畳み及び圧延を実施した。次いで、０．０２０インチの最終厚さにストリップを圧延した。１１グラム質量の３×３インチ電極をセルのアッセンブリ用に該ストリップから切り取った。
【００４４】
前記水素化物電極について記載したのと同様の方法を用いて、ニッケル電極を調製した。混合物は（ＰＴＦＥ）テフロン（登録商標）粉末１グラムと、一酸化コバルト１．５グラムと、黒鉛粉末１５グラムと、ニッケル水素化物粉末３２．５グラムとを含有していた。約０．０４０インチの厚さに最終ストリップを圧延した。１０グラム質量の３×３インチ電極を該ストリップから切り取った。次いで、セルの組み立てに先立ち、該電極を油圧プレスにおいて約２，０００ｐｓｉで約０．０３３インチの厚さにプレスした。２層の不織布ナイロンセパレータ３．１２５×３．１２５平方インチを電極間に配置した。
【００４５】
２ミル厚さのニッケル箔、３×３平方インチを３．２５×３．２５平方インチである３ミル厚さのポリプロピレン膜層に結合することによって、それぞれ調製した２つの電気伝導性積層からセルの外包膜を構築した。利用した結合剤は、３０％の固体濃度を有するタールアスファルトの溶媒混合物であった。この結合剤を該箔の上に塗布し、粘着性になるまで乾燥させ、次いで軽くプレスすることでポリプロピレンに積層した。セメント結合層はおよそ０．００１インチの厚さであった。
【００４６】
結合に先立ち、図２Ａに示すように、ニッケル箔の各接触点が電極の４分の１区画、０．７５×０．７５平方インチに本質的に働くように、正方形配列において中心から中心が１．５インチの間隔で、ダイを用いて４つの０．２５インチ径の穴を前記ポリプロピレン膜に打ち抜いた。
【００４７】
図２Ｂに示すように、上記のニッケル電極、セパレータ層及び金属水素化物電極を２つの外部積層の中に積層することでセルを構築した。次いで、該アッセンブリは周囲の境界をヒートシールされ、セルの外縁周りに０．１２５インチのヒートシールを与えた。負極に隣接する積層のプロピレン膜と金属箔は、電解質充填のためにその中心に０．１２５インチの穴を含んでいた。
【００４８】
試験目的のために、０．００５インチの厚さを有するニッケル箔の接触プレートを、セルアッセンブリ外層の外側の正及び負面に配置した。次いで、該アッセンブリを互いに保持し、かつ個々のセルを試験するための圧縮においてセルを維持する周囲ボルトと、充填ポートとを含む２つの硬質アクリルプレートの間にセルアッセンブリを配置した。
【００４９】
次いで、充填ポートから真空で引いてセルからすべての空気を取り除き、次いで電解質をセルにフローバックさせる技術によってセルを真空充填した。具体的には、セルを３０％ＫＯＨ−１％ＬｉＯＨの電解質で満たして、２４時間浸したままにし、次いで３つの形成サイクルにさらした。各形成サイクルは、２００ｍＡでの８．５時間の充電と、５００ｍＡでの０．８ボルト又は最大経過時間３．５時間の放電とを含んでいた。次いで、セルを図５に示すように異なる放電率で試験した。再充電の間、標準的な８．５時間の速さでセルを再充電した。
【００５０】
図５は異なる放電率でのこのセルのセル電圧を示す。得られた結果は、有利には本発明のハイレート容量を実証している。
【００５１】
［例２］
本発明との比較のため、及び本発明の有利な結果を実証するために、例１の２ミルのニッケル箔、３×３平方インチの２枚のシートを３．２５×３．２５平方インチに大きくして、３．２５×３．２５平方インチである２つの３ミルのポリプロピレン膜層は利用しないこと以外は、例１で説明したようにただ１つのセルを構築した。次いで、該ニッケル箔シートをセルの周囲で直接エポキシ結合した。この縁シールは一時的な試験のために利用できるが、耐久性の試験下では電解質のリークは許容できる。
【００５２】
このセル構成は、本明細書で説明した出願人の有利な積層５及び６を用いなかったので本発明の主題ではない。しかしながら、例１で説明した条件下でのこのセル構成の試験は、出願人の本設計の利点を実証するのに有用であった。特には、外側のポリマー膜を用いないセルの電流電源容量は、金属箔を露出させ、セルを貫く伝導を確立するためにその中に穿孔を有するポリマー膜を含む例１で説明した出願人の発明のものと同様であることが試験によって実証された。図６はこのセルの異なるレートのセル電圧を示す。図５（例１参照）と図６を比較すると、電圧の特性が類似しているのがわかる。
【００５３】
［例３］
本発明とさらに対照的には、米国特許第５，３９３，６１７号明細書に説明されているように、公称４ミル厚さのポリ塩化ビニル（ｐｖｃ）の炭素充填導電性ポリマー材料からセルの外層を作製し、セルの外縁をｐｖｃの非導電性ポリマー材料にヒートシールして縁シールを形成したこと以外は、例１と同様にセルを組み立て、そして試験した。したがって、金属箔／穴の開いたポリマー層の出願人の積層は用いなかった。
【００５４】
この例によって、その有利な積層を含む出願人の発明と比べて、より効果的でない炭素充填導電性外膜のハイレートな電流能力が実証された。特に、図７はこのセルの電圧電流特性を示す。図５（例１参照）と図７の比較によって、本発明がよりハイレートな能力を有することが実証される。
【００５５】
［例４］
周囲の外部シールを形成するために外部ポリマー層をヒートシールする代わりに、セルの縁周りの隙間に注入することで、セル周囲の境界に沿ってエポキシセメントを満たし、約２時間硬化させること以外は、本発明に従って、例１と同様にセルを構築した。８．５時間充電、３．５時間放電の３つの形成サイクル後、逆の位置でセルを充電することでセルから過剰な電解質を排出し、任意の遊離液をセルから放出することができる。この工程の後、次いで圧力ゲージを外側のプラスチックアクリルプレートの充填ポートに取り付けて、外部環境からセルの内部区画を封止した。次いで、それぞれ０．７２及び１．１アンペア電流での５５分充電、３５分放電のサイクルに関して、４０％の放電深度での寿命試験にセルをさらした。
【００５６】
図８は、５，０００サイクルについての試験に関するこのセルの電圧性能特性を示す。この図から理解できるように、安定した性能を達成し、したがって封止材料及び設計の安定性を実証した。
【００５７】
［例５］
正及び負極がそれぞれ６×６平方インチであること以外は、本発明に従って、例１と同様の構成でセルを構築した。積層はまたそれぞれ１ミルの金属箔、６平方インチにタールを用いて結合させた６．２５×６．２５インチのポリプロピレン膜を含んでいた。各プロピレン膜は、各接触点が１×１平方インチの電極面積に本質的に働くように、穴から穴へ１インチ中心の０．２５インチ径の穿孔パターンを含んでいた。
【００５８】
図９は異なる放電率でのこのセルの電圧電流特性を示し、本発明のハイレート能力と封止設計の有効性を実証している。
【００５９】
［例６］
さらに本発明に従って、５つの封止されたセルのスタックを図３に示す配列で組み立て、公称６ボルトのバッテリーを作製した。個々のセル構築物は、各セルの充填ポートをセメントで接合したパッチで封止したこと以外は、例４と同じであった。図１０はスタックの充電−放電電圧を示す。
【００６０】
図１０によって有利には、マルチセルスタックが出願人の設計を用いて容易にかつ効率的に構築できることが実証される。
【００６１】
本発明の上述の例及び説明を考慮して、本発明が有利には安定したサイクルの封止されたセル作用を提供することが理解できる。
【００６２】
本発明の別の利点は高い電源能力である。
【００６３】
本発明の更なる利点は便利な構築のアプローチである。
【００６４】
本発明のなお更なる利点は、無駄な空間を最小限に抑えかつ活性質量／不活性質量の高い比を有するセル及びバッテリー設計である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明のウェハーセルの実施態様についての概観を示す。
【図２Ａ】本発明のウェハーセルの実施態様についての部分側面図を示す。
【図２Ｂ】本発明のウェハーセルの実施態様についての断面図を示す。
【図３】本発明に従ったウェハーセルのマルチセルスタックを示す。
【図４】本発明に従った外部バッテリーハウジングに収容された、ウェハーセルのマルチセルスタックについての３次元図を示す。
【図５】異なる放電電流での本発明に従ったセルの電圧を示す。
【図６】異なる放電電流での本発明と比較するためのセルの電圧を示す。
【図７】異なるレートでの本発明と比較するためのセルの電圧を示す。
【図８】本発明に従ったセルの電圧対時間（寿命試験）を示す。
【図９】異なる放電率での本発明に従ったセルの電圧を示す。
【図１０】本発明に従ったセルスタックの充電−放電電圧を示す。

Claims (35)

  1. 電気的に直列に配列された少なくとも２つの電気化学セルのスタックを含んで成り、各セルの正の面が隣接するセルの負の面に接触しており、該セルのそれぞれが、
    （ａ）負極
    （ｂ）正極
    （ｃ）電解質を含む電極間のセパレータ
    （ｄ）第１内部金属層と第１ポリマー外層とを含んで成り、該第１ポリマー外層が該第１内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、負極の外面と電気接触している第１電気伝導性積層、及び、
    （ｅ）第２内部金属層と第２ポリマー外層とを含んで成り、該第２ポリマー外層が該第２内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、正極の外面と電気接触している第２電気伝導性積層
    を含んで成り、該第１及び第２積層が互いに周囲を封止されて、該電極、該セパレータ及び該電解質を含むエンクロージャーを形成している、バイポーラ型電気化学バッテリー。
  2. 前記電極、前記セパレータ、並びに前記第１及び第２積層がそれぞれ実質的に平坦である、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  3. 前記第１及び第２内部金属層がそれぞれ金属箔である、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  4. 前記金属層が約０．０００３インチ〜約０．００５インチの厚さである、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  5. 前記金属層が、銅、アルミニウム、銀、鋼、リチウム、ニッケル、金属メッキ材料、及びそれらの混合物より選択される金属から作製された、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  6. 前記第１及び第２ポリマー外層がそれぞれ、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリソホン（polysofon）、ポリ塩化ビニル及びそれらの混合物より選択されるポリマー材料から作製された、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  7. 前記第１及び第２ポリマー外層がそれぞれ、約０．００１インチ〜約０．００５インチ厚さのポリマー薄膜である、請求項６に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  8. 前記第１及び第２ポリマー外層がそれぞれ、電流がセルからセルへ流れることのできる接触点を作り出すために互いに関して一列に並べられた複数の穿孔を含んで成る、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  9. 前記正極が、酸素、マグネシウム、ニッケル、マンガン、銅、コバルト、銀、リチウム、ニッケルの酸化物又は水酸化物、マンガンの酸化物又は水酸化物、銅の酸化物又は水酸化物、水銀の酸化物又は水酸化物、銀の酸化物又は水酸化物、マグネシウムの酸化物又は水酸化物、リチウムの酸化物又は水酸化物、コバルトの酸化物又は水酸化物、及びそれらの組み合せより選択された材料を含んで成る、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  10. 前記正極が酸素電極又はニッケル電極である、請求項９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  11. 少なくとも１つの金属箔及びポリマー層が、タール、エポキシ又はゴムセメントを用いて互いに結合された、請求項３に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  12. 前記ニッケル電極が、ペースト状発泡、焼結及びプラスチック結合のニッケル電極より選択された、請求項１１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  13. 前記負極が、カドミウム、鉄、亜鉛、銀、リチウム、炭素含有リチウム、水素及びそれらの混合物より選択された材料を含んで成る、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  14. 前記負極が金属水素化物電極である、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  15. 前記金属水素化物電極が、ニッケル水素化物電極、銅水素化物電極、リチウム水素化物電極、鉄水素化物電極、及びそれらの混合物から成る群より選択された、請求項１４に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  16. 前記セパレータが多孔質である、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  17. 前記第１及び第２ポリマー外層が、前記エンクロージャーを形成するために互いに封止された、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  18. 導電性ペースト又はセメントが、前記金属層の少なくとも１つと、それが接触している前記電極との間に存在している、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  19. 前記少なくとも２つの電気化学セルのスタックがバッテリーハウジングに収容された、請求項１に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  20. 圧力測定装置が封止された前記バッテリーハウジングに含まれる、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  21. 各電気化学セルが完全に封止された、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  22. 導電性ペースト又はセメントが前記セル間に存在している、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  23. 前記セルスタックの端部セルのうち少なくとも１つが金属箔の接点と接触しており、該金属箔の接点がバッテリー端子と電気接触している、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  24. 前記セルスタックが圧縮して保持された、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  25. 前記電気化学セルがベントポートを含む、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  26. 複数のセルが圧縮して保持された、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  27. 前記セルがガスを充填した袋状組織によって圧縮して保持された、請求項２６に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  28. 金属箔層が熱伝導のためにセル間に配置された、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  29. セルの端が、改善された熱接触のためにバッテリーハウジングの壁まで拡張された、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  30. 前記バッテリーが、セルスタックの軽い棟（ridge）を封じ込めるために、ハニカムプレートを用いてハウジングに収容された、請求項１９に記載のバイポーラ型電気化学バッテリー。
  31. 前記第１内部金属層及び前記第１ポリマー外層が、タール、エポキシ又はゴムセメントを用いて互いに結合され、かつ前記第２内部金属層及び前記第２ポリマー外層が、タール、エポキシ又はゴムセメントを用いて互いに結合された、請求項３０に記載の電気化学ウェハーセル。
  32. （ａ）負極
    （ｂ）正極
    （ｃ）電解質を含んで成る電極間のセパレータ
    （ｄ）第１内部金属層と第１ポリマー外層とを含んで成り、該第１ポリマー外層が該第１内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、負極の外面と電気接触している第１電気伝導性積層、及び、
    （ｅ）第２内部金属層と第２ポリマー外層とを含んで成り、該第２ポリマー外層が該第２内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、正極の外面と電気接触している第２電気伝導性積層
    を含んで成り、該第１及び第２積層が互いに周囲を封止されて、該電極、該セパレータ及び該電解質を含むエンクロージャーを形成している、電気化学ウェハーセル。
  33. （ａ）第１内部金属層と第１ポリマー外層とを含んで成り、該第１ポリマー外層が該第１内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、負極と電気接触可能な第１電気伝導性積層、及び、
    （ｂ）第２内部金属層と第２ポリマー外層とを含んで成り、該第２ポリマー外層が該第２内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、正極と電気接触可能な第２電気伝導性積層
    を含んで成り、該第１及び第２積層が互いに周囲を封止されて、ウェハーセルの内容物を収容するアッセンブリを形成できる、ウェハーセルの内容物を収容するためのアッセンブリ。
  34. 各セルの正の面が隣接するセルの負の面に接触しており、該セルのそれぞれが、
    （ａ）負極
    （ｂ）正極
    （ｃ）電解質を含んで成る電極間のセパレータ
    （ｄ）第１内部金属層と第１ポリマー外層とを含んで成り、該第１ポリマー外層が該第１内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、負極の外面と電気接触している第１電気伝導性積層、及び、
    （ｅ）第２内部金属層と第２ポリマー外層とを含んで成り、該第２ポリマー外層が該第２内部金属層を露出させるためにその中に少なくとも１つの穿孔を有する、正極の外面と電気接触している第２電気伝導性積層
    を含んで成る、電気的に直列に配列された少なくとも２つの電気化学セルのスタックを提供すること、並びに、
    該第１及び第２積層を互いに周囲で封止して、該電極、該セパレータ及び該電解質を含むエンクロージャーを形成すること、
    の工程を含んで成る、バイポーラ型電気化学バッテリーの作製方法。
  35. 前記セルが拡張された端を有する、請求項３２に記載の電気化学ウェハーセル。
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