JP2007535796A - 低インピーダンス積層電池装置とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
電気化学保存装置並びにその製造方法を開示している。ガイドワイヤ（２２０、２２６）と電極材料のコレクター延長部（２１２、２１４）との間に接触を提供するように、ガイドワイヤがシートまたはリボン状の電極材料に共巻き処理されており、低インピーダンス及び高度の熱シンク性能を有するエンドキャップ（２２２、２２８）を形成する。別の実施例では、保存装置は、電極活性材料を実質的に含まない縁部を有する負電極シート、電極活性材料を実質的に含まない縁部を有する正電極シート、電極活性材料を実質的に含まない負電極シートの縁部に隣接して提供される第１導電ガイドワイヤ、及び電極活性材料を実質的に含まない正電極シートの縁部に隣接して提供される第２導電ガイドワイヤ（２２０）を含んでいる。第１導電ガイドワイヤ（２２６）と電極活性材料を実質的に含まない負電極シートの縁部は、第１電極エンドキャップを提供し、第２電極ガイドワイヤと電極活性材料を実質的に含まない正電極シートの縁部は、第２電極エンドキャップを提供する。電極エンドキャップは、外部回路の端子へ接続できる保存装置の端子へカップリングされる。
【選択図】図４
【選択図】図４
Description
本発明は、電気化学保存装置（電池）の製造と利用とに関する。特に、低インピーダンス電池装置とその製造方法とに関する。
電力を保存して提供する装置は、長期にわたって利用されている。
“電池”とは、電気化学単電池及び単電池集合体を含んだ概念であり、少なくとも端子セット間に電位を提供するものである。それら端子は、電気（例：直流、交流）負荷に接続でき、その負荷にエネルギーすなわち電力を供給する。電池には、乾電池、湿電池（例：鉛−酸型電池）及び他のタイプの装置が含まれ、一般的に化学的に発生される起電力を電流に変換する。
電池は、“使い捨て”タイプと“充電式”タイプとに分けられる。使い捨て電池は、一定の電気化学容量で電池製造業者が提供する電池であり、使用後には廃棄される。充電式電池は、使用後に充電でき、永久的ではないものの、実質的に放電プロセスの逆を実行することで同一単電池の反復利用が可能である。
電池容量を増加させるため、単電池のアノード（負電極）要素とカソード（正電極）要素との間の大表面積を利用するように設計されてきた。そのような設計の１例は、多くの平行板を電界溶液内に配置し、アノードとカソードとの間でイオン移動させるものである。別な設計では、アノード材料とカソード材料の平坦層を孔質膜で分離し、それらの層をロール状（ジェリーロール状）に巻上げ、コンパクトで物理的に安定した電池を提供する。巻上げられた電池ではスペース的に可能な限り多数のアノード材料、セパレータ材料及びカソード材料のシートが交互に配置提供され、アノードシートは集合的にアノード端子に接続され、カソードシートは集合的にカソード端子に接続される。この電池装置を円筒状に巻くことも他の形状に巻くこともできる。
電池全体は、円筒缶体等の剛質容器に収容される。アノード材料とカソード材料及び端子は、短絡あるいは電気負荷への意図する端子を通過する放電以外の放電を回避するために電気的接触が防止されている。
従来の電池設計が直面する１つの問題は、電池自身の電気インピーダンスの問題である。電気インピーダンスは、電力を消耗させ、電池内での放熱を引き起こす。
従来の電池設計の別の問題点は、通常は円筒状電池の一方の端部に提供されているアノード端子とカソード端子とに単電池の端部が良好に一体化してはいないことである。
現在の電池設計のさらに別な問題は、特に高電力用のものであるが、良好な熱反応とヒートシンク性能を提供できないことである。さらに、コレクターシートを使用する現在の電池設計では、複数のアノードコレクターあるいはカソードコレクターを共に接続する適当な方法を提供できないことである。
現在の電池設計のさらに別な問題は、特に高電力用のものであるが、良好な熱反応とヒートシンク性能を提供できないことである。さらに、コレクターシートを使用する現在の電池設計では、複数のアノードコレクターあるいはカソードコレクターを共に接続する適当な方法を提供できないことである。
本発明の１つの特徴は、電気化学保存装置に関する。
この装置は、負電極シートと正電極シート及びそれらシートの中間に提供されるセパレータシートを有したコイル状電池構造体を含む。正電極シートと負電極シートの少なくとも一方は、電極活性材料を実質的に有していない縁部を有している。導電ガイドワイヤがその縁部に沿って配置されており、電気化学保存装置の電気端子と接続するのに適した電極エンドキャップを形成している。
本発明の別な特徴は、電気化学保存装置の製造方法に関する。
この方法は、負電極シート、セパレータシート及び正電極シートを共軸的に巻き上げ、負電極シートと正電極シートとの間にセパレータシートを配したコイル状電池構造体を形成するステップを含んでいる。正電極シートと負電極シートの少なくとも一方は、電極活性材料が実質的に存在しない縁部を有している。導電ガイドワイヤがその縁部に沿って配置され、少なくともその一部と実質的に接触する。電池構造体が得られると、ガイドワイヤと縁部は、電気化学保存装置の電極端子との接続に適した電極エンドキャップを形成する。
本発明のさらに別の特徴は、別形態の電気化学保存装置に関する。
この装置は、中間にセパレータシートを配した少なくとも２つの電気的に相補的な電極シートを含んでおり、それら電極シートの少なくとも一方は電極活性材料が実質的に存在しない縁部を有しており、その縁部に沿って導電ガイドワイヤが提供されており、電極端子との接続に適したエンドキャップが形成される。この電池装置はロール状構造体またはスタック構造体あるいは挟持型構造体として提供できる。
本発明の別の特徴は、電池パックに関するものである。
この電池パックは中間にセパレータシートを配した少なくとも２つの電気的に相補的な電極シートを含んだ少なくとも１つの電池構造体を含んでいる。この電池構造体も、少なくとも１つの電極シートの、電極活性材料を実質的に含まない縁部に沿って提供された導電ガイドワイヤを含んでおり、この縁部の少なくとも一部と実質的に接触しており、電極端子との接続に適したエンドキャップを形成する。
以下の説明は本発明の実施例に基づく製造方法と製造装置の詳細であり、本発明を限定するものではない。
前述したように、電池は、活性材料（アノード、カソード）とセパレータ膜層を必要に応じて様々な形状に共巻き加工することで形成されてきた。一部は円筒形状で提供され、一部は方形または他の形状の断面を有するプリズム形状で提供される。
図１は、従来技術による電池装置１００の一部を示す。
アノード１０４とカソード１０８の帯体またはシートはセパレータ膜１０６で分離されている。アノード１０４とカソード１０８の組成は電池のタイプによって決定され、導電基板上に、例えばグラファイト、金属その他の材料の層を含んでいる。基板は電流コレクターとして作用できる。リチウムイオン電池、ＬｉＣｏＣ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ（Ｆｅ，Ｍｎ）ＰＯ４、または（Ｌｉ，Ｎｂ）（Ｆｅ，Ｍｎ）ＰＯ４が典型的な電気活性カソード材料である。セパレータ膜１０６は孔質であり、アノード１０４とカソード１０８の間でイオンを移動させるが、電気的には絶縁体であり、２つの電極を電気的に絶縁している。
装置１００は、リボン状の材料１０２をジェリーロール体１１０に共巻き加工することで形成される。電池端子に対する電気接続を提供するために、巻上げ処理に先立って、複数の導電タブ１１２、１１４が注意深く選択された間隔で溶接あるいは他の接続手段によって電池構造体内に挿入される。第１セットのタブ１１２は、アノード材料１０４と接触し、一端部でロール部分１１０から外側に延び出ており、電池装置のアノード端子を形成する。第２セットのタブ１１４は、カソード材料１０８と接触し、別端部でロール部分１１０から外側に延び出ており、電池装置のカソード端子を形成する。これら延長アノードタブ１１２及び延長カソードタブ１１４を相互接続させ、電池の他の部分と接続させる方法は単なる選択事項である。
ロール状電池の従来設計は、多くの弱点を有していた。そのいくつかは上述した。これら弱点には、劣る電気特性（例：高インピーダンス）、劣る熱特性（劣る放熱性）及び劣る物理的特性並びに製造特性が含まれる。
図２は、従来技術による電池装置のアノード部分を図示しており、電池装置のロール部分１１０から延び出る１群のコレクタータブ１１２を示す。
“缶体”１２０は、ジェリーロール構造体全体を収容し、構造体に物理的保護を提供しており、汚染を防止し、ヒートシンクとして作用し、カソード端子（図示せず）を提供する。従来技術はアノード延長部１１２の接続にいくつかの方法を採用したが、良好な電気的、熱的及び物理的特性を提供する方法は存在していなかった。
図３は、図１の電池構造物を製造するためにリボン状材料を共巻き加工する方法を図示する。
一般的に、それぞれの構成材料のロール体は適した供給速度でスプールに巻上げ加工され、前述のロール型電池構造体が提供される。アノード材料、カソード材料及びセパレータ材料はスプール４０４、４０６及び４０２からそれぞれに提供できる。アノードタブとカソードタブは、例えば装置４０８を使用して挿入される。装置４０８はタブを適した間隔で溶接してロール状構造体１１０を提供する。
図４は、本発明の１実施例によるロール状電池装置２００を図示する。
ロール部分２１０は説明の目的で切り取られている。ロール部分２１０はシート状またはリボン状要素２０２で形成されている。カソード２０４とアノード２０８の交互シートは、セパレータ膜シート２０６で分離されている。図４で示す電池装置２００は、１つのカソード２０４と１つのアノード２０８を含んでいる。
しかし、別実施例では電池装置２００は複数のカソード２０４及びアノード２０８を含むことができる。アノード２０８は、例えば電流コレクターである導電基板上に提供された電気活性材料層を含んでいる。例えば、リチウムイオン電池のアノードを形成するのに一般的に使用されている材料が本発明の設計において利用できる。それぞれのアノード２０８は、アノード２０８の活性部分から延び出るアノード延長部２１４を含む。
アノード延長部２１４はアノード２０８と一体化でき、または接着あるいは取り付けることができる。アノード延長部２１４は、導電性であり、アノード２０８に電気的熱カップリングの通路を提供する。それぞれのカソード２０４もカソード２０４の活性部分から延び出るカソード延長部２１２を同様に含む。
カソード延長部２１２は、カソードと一体化でき、あるいは接着または取り付けることができる。カソード２０４は導電基板上に提供された電気活性材料層を含む。例えば、リチウムイオン電池のカソード層の形成に通常に利用される材料が本発明の設計で使用できる。アノード延長部２１４とカソード延長部２１２は電池装置２００の両端に存在する。
セパレータ膜２０６は、イオン伝導性を提供するが、前述のように電子伝導は妨害する。
電池装置２００の１端で、第１導電ガイドワイヤ２２６が導電アノード延長部２１４の一部に隣接して提供されている。ガイドワイヤ２２６は、ロール状構造体２１０が、コイル状ガイドワイヤ２２６とアノード延長部２１４とで提供される実質的に固質でコンパクトなアノードインターフェース表面２２２（すなわちアノードエンドキャップ２２２）を形成するサイズで提供されている。
同様に第２導電ガイドワイヤ２２０は、導電カソード延長部２１２の一部に隣接して提供されている。組み立てられたとき、ガイドワイヤ２２０とカソード延長部２１２はカソードインターフェース表面２２８、すなわちカソードエンドキャップ２２８を形成する。
アノード２０８、カソード２０４及びセパレータシート２０６並びにアノード延長部２１４、カソード延長部２１２及びガイドワイヤ２２０、２２６は中央軸２２４周囲に巻き上げられてロール状構造体２１０を形成する。どのような巻上げ加工法あるいはスタッキング法または層形成方法あるいはデザインであろうともこの電池（セル）の製造には利用できる。例示的巻上げ加工方法と装置は図９において図示されている。これを詳細に後述する。
しかし、蛇腹状、折畳み状あるいは扇子状の実質的に平坦な（挟持）層でも本発明に基づいて構築できる。図４に示すロール状構造体２１０は中央軸２２４周囲で巻上げられている。従って、シート状材料のそれぞれは同一中央軸２２４周囲で螺旋（断面）を形成する。
巻上げられると、アノード延長部２１４は、第１ガイドワイヤ２２６に固定される。例えば、レーザー溶接線が提供され、物理的、熱的及び電気的にアノード延長部２１４及び第１ガイドワイヤ２２６へのカップリングが提供される。カソード延長部も同様に提供される。１実施例においては、第１ガイドワイヤ２２６は、アノード延長部２１４が製造される材料と同じ材料で製造される。同一材料で提供されるガイドワイヤと両延長部を使用すると、良質で安定した特性と溶接性能が提供できる。
アノードコレクター延長部２１４とアノードガイドワイヤ２２６は、例えばアルミニウム、銅、チタン、炭素またはニッケルで提供でき、カソードコレクター延長部２１２とカソードガイドワイヤ２２０はアルミニウムまたは他の適した材料で提供できる。しかし、本発明はこれらの材料に限定されない。他の触媒または補助層と材料も、延長部２１２、２１４とガイドワイヤ２２０、２２６との間で存在する熱的、電気的及び電気特性の向上に利用できる。
さらに、ガイドワイヤ２２０、２２６の形状と寸法は設計により選択される。例えば、ガイドワイヤ２２０、２２６は、方形あるいは他の形状の断面を有したものであり、厚みはロール状構造体２１０を形成するのに充分な厚みとされ、ガイドワイヤは周囲の単電池要素延長部と充分な電気機械的接触を提供する。加えて、ガイドワイヤ２２０、２２６は、どの方向にも襞付け加工、形状化加工あるいはノッチ加工でき、ガイドワイヤの一部と隣接単電池要素延長部との間で液体通過させる形状を提供する。１特定実施例においては、ガイドワイヤ２２０、２２６は加工された溝やノッチまたはその外面周囲に延びる螺旋溝を含んでいる。これら溝やノッチは条件によっては発生する気体を単電池から逃避させる。
また、溝やノッチ（図示せず）は電池装置本体への電解液の充填または押入を可能にする。
ガイドワイヤ２２０、２２６は、電池２００の端子端部と、それが接続される外部回路との間で低インピーダンス電気接続を提供する。
図５は、電気化学保存（電池）装置２００の一部の別図である。
この装置は、説明のために部分的に巻き上げられたロール部分２１０と部分的に非巻上げ状態の非ロール部分２０２とで示されている。アノード２０８は前述のように、そこから延び出る導電コレクター延長部２１４を有している。延長部２１４は実質的に電気活性材料は含まず、アノード２０８の下方縁部に沿って延びている。カソード２０４も同様に提供されており（しかし、アノード２０８とは異なる材料）、カソード２０４の上方縁部に沿って延びる導電コレクター延長部２１４を有している。実施例によっては、そこからアノードコレクター延長部２１４が延び出るアノード２０８の縁部と、そこからカソードコレクター延長部２１２が延び出るカソード２０４の縁部は電池装置の反対側端部に提供されている。
アノードシート２０８、カソードシート２０４及びセパレータシート２０６を含んだシート層は、中央軸２２４周囲で同軸的に巻上げられる。アノードガイドワイヤ２２６とアノード延長部２１４は他のシート材料と共巻き加工され、ロール状構造体２１０の端部２３０でアノード導電エンドキャップ２２２を形成し、カソードガイドワイヤ２２０とカソード延長部２１２は他のシート材料と同様に共巻き加工され、ロール状構造体２１０の反対側端部２３２でカソード導電エンドキャップ２２８を形成する。
シートの共巻き加工の概念は、広く解釈すべきである。すなわち、１以上のシート層あるいはシート様材料、並びにガイドワイヤ２２０及び２２６がスプール上で共にあるいは互いの周囲で巻き上げられて、それぞれの材料の螺旋形状を提供し、その中に他の材料が散在する。正確な最終結果は必ずしも円筒形状である必要はなく、他のプリズム断面形状でもよい。軸２２４周囲でのコイル状、ロール状または巻上げ状態とは、層が軸２２４周囲で正確な環状層を形成することを意味するものではない。他のロール状構造体またはスタック構造体も想定されている。実施例によっては、ロールは一定半径の環状輪ではなく漸増半径の螺旋を形成する。
図６は、本発明によって提供されるアノード延長部２１４とアノードガイドワイヤ２２６を表すロール状電気化学保存装置（電池）の一部の断面図である。カソードガイドワイヤ２２０とカソード延長部２１２の一部は、説明を明確にするために省略してある。
図６は、説明の目的のためにのみ提供されており、正しいスケールで描かれていない。
図６では、黒鉛アノード活性材料２０８ｂが銅アノードコレクター２０８ａを囲んでいる。活性アノード材料２０８ｂとアノード基板２０８ａを集合的にアノード２０８として称呼される。アノード延長部２１４は、アノード基板２０８ａにカップリング（あるいは一体化）され、コーティングされた活性アノード材料２０８ｂを越えて延びている。アノード延長部２１４は、ガイドワイヤ２２６と活性材料電極あるいはセパレータシート２０６の他の層との間に電気的接触を有さないでコレクター延長部２１４の連続巻上部の間にガイドワイヤ２２６を設置させるのに充分な距離分、コーティングされたアノード要素２０４を越えて延びている。図面では、ガイドワイヤ２２６と他のシート材料との間に高さ “ｚ”が提供されている。
ガイドワイヤ２２６は、銅で作られており、“ｘ”と“ｙ”寸法の方形断面を有している。寸法“ｘ”と“ｙ”は数々の要素によるが、実施例によっては“ｘ”は約３００マイクロメーターで、“ｙ”は約１．５ｍｍである。また実施例によっては、寸法“ｙ”、寸法“ｚ”、あるいは両方を最小化させることが望ましい。
前述の如く、典型的にはガイドワイヤ２２６（寸法“ｘ”）の厚みを、アノード銅コレクター延長部２１４の連続巻上部間の距離とおおよそ等しくさせることが有利である。この方法では、コレクター延長部２１４とガイドワイヤ２２６との間に電気的及び物理的接触が提供される。実施例によっては、寸法“ｙ”を最小化させて単電池内の電極の体積全体を増大させることが望ましい。あるいは寸法“ｙ”は、高速巻上げ処理中に物理的安定性を提供し、ガイドワイヤ２２６を電流コレクターへ延長部２１４へ接続する際のジェリーロールの損傷を防止する充分な大きさである。高い熱保護性能を要求する実施例では、単電池をオーバーヒートから守るために望ましい熱含量を提供する熱容量を増加させるため、寸法“ｙ”を増加させてもよい。
カソード活性材料２０４ｂは、アルミニウムカソードコレクター２０４ａを囲んでいる。活性カソード材料２０４ｂとカソード基板２０４ａをここでは集合的にカソード２０４と称呼する。アルミニウムから成るカソード延長部２１２はカソード基板２０４ａにカップリング（または一体化）され、コーティングされた活性カソード材料２０４ｂを越えて延びている。
カソード延長部２１２は、ガイドワイヤ２２０と活性材料電極の他の層あるいはセパレータシート２０６との間に電気的接触を有さずにコレクター延長部２１２の連続巻上部間にガイドワイヤ２２０を設置させるのに充分な距離分コーティングされた活性カソード材料２０４ｂを越えて延びている。
図６では示していないが、ガイドワイヤ２２０は、ガイドワイヤ２２６について前述したものと同様な状態でカソード延長部２１２とカソード２０４に関して形成並びにアレンジされている。ガイドワイヤ２２０は、カソード延長部２１２の形成材料と同じアルミニウムで作られている。
電極コレクター延長部２１２，２１４及びガイドワイヤ２２０．２２６の間にそれぞれ望ましい電気的、熱的及び物理的接続を提供する補助となるよう、カソード延長部２１２の連続部とガイドワイヤ２２０を横切って溶接接合部が提供され、カソードエンドキャップ２２８を形成しており、他の溶接接合部が同様にアノード延長部２１４の連続部とガイドワイヤ２２６を横切って提供され、アノードエンドキャップ２２２を形成している。
図７では、ロール状電池装置２００のカソードエンドキャップ２２８を構造的に維持する溶接がどのように提供されるかを示している。前述の如く要素２０２をロール状にしてカソードエンドキャップ２２８が形成された後、エンドキャップ２２８の等間隔の四分円を提供する２つの放射状溶接部３０２がカソード延長部２１２の連続部とガイドワイヤ２２０を横切って提供される（個別には図示しない）。図７は、エンドキャップ２２８を形成するために使用されている２つの溶接部３０２のみを示しているが、エンドキャップ２２８を適切に固定させるためにいかなる数の溶接部でも使用することができる。アノードエンドキャップ２２２は類似の溶接部３０２（図示せず）を使用して固定される。
溶接部３０２が提供された後、カソードエンドキャップ２２８がカバー３１０へカップリングされる。カバー３１０は、電池を外部電気回路へ接続するための導電中心端子３０４を有している。導電中心端子３０４は好適には、例えばカソードエンドキャップ２２８のガイドワイヤ２２０へカップリングされる電極エンドキャップのガイドワイヤ形成に使用されるものと同じ材料で成る。カバー３１０は中心端子３０４と外部導電リング３０６周囲に配置された絶縁リング３０８をさらに含んでいる。
組み立てられると、ロール状構造体２１０のカソードエンドキャップ２２８とカバー３１０の中心端子３０４との間に導電性通路が出現する。ロール状構造体２１０はその後で導電缶体１２０へ挿入され、例えば、アノードエンドキャップ２２２の一部を缶体１２０の内端部へ溶接することで、アノードエンドキャップ２２２が金属缶体１２０にカップリングされる。
カバー３１０は、その後缶体１２０へ、例えば溶接によって取り付けられる。カバー３１０が缶体１２０に取り付けられると、缶体１２０とカバー３１０によって定義される内部空間にポート（図示せず）を介して電解液を注入できる。ポートは、空間が充分に充填された後に塞がれる。ポートをカバー３１０内か缶体１２０内に提供できる。あるいは、カバー３１０を取り付ける前に電解液を缶体１２０の内部空間へ注入することもできる。組み立て後、ロール状構造体２１０のアノードエンドキャップ２２２と缶体１２０との間に導電性通路が提供される。
一方、カソードエンドキャップ２２８は、缶体１２０から電気的に絶縁される。缶体１２０、カバー３１０及び他の細部の製造は電池が意図されている適用法による。
実施例によっては図８に示す如く、絶縁テープ３２０を使用して、カソードエンドキャップ２２８をさらに確実に金属缶体１２０から電気的に絶縁する。
図８は、エンドキャップ２２８の最終的な外観をさらに示しており、エンドキャップ２２８の面に提供された溶接接合部３０２によって取り付けられているカソードコレクター延長部２１２とガイドワイヤ２２０の螺旋状共巻き上げ層を含んでいる。
溶接接合部３０２は、あらゆる適した方法で作ることができる。例えば、レーザー溶接、スポット溶接、超音波溶接、あるいは他のタイプのアタッチメントが利用できる。溶接接合部３０２は、必ずしもエンドキャップ２２８表面を全部横切る必要はないが、実質的に同じ効果を達成する、エンドキャップ２２８の放射スパンを重ならないように横切る小さめの溶接部等の複数に分かれた溶接部であってもよい。
図９は、本発明のロール状電池装置の製造装置及び製造方法の１例を示している。
スプール４０３と４０７はセパレータ膜シート材料２０６を保持している。スプール４０５は、アノード電極シート材料２０８を保持しており、スプール４０９はカソード電極シート材料２０４を保持している。スプール４１１は、ガイドワイヤ２２６を保持し、スプール４１３はカソードガイドワイヤ２２０を保持している。
シートとガイドワイヤ材料は、スプール４１５上に共巻き加工され、他の加工装置とステップを必要に応じて追加し電池のロール状部分２１０の製造を完了させてもよい。
ロール２１０が形成されると、そのエンドキャップ２２２と２２８は前述の如く溶接され、ロール状構造２１０がアルミニウム缶体１２０等の金属缶体へ挿入される。エンドキャップ２２２と２２８をさらに溶接加工するか、適切に缶体１２０またはカバー３１０へ取り付けてもよい。リチウムイオン電池にアルミニウム缶体を使用する場合、カソードエンドキャップ２２８を、カバー３１０の中心端子３０４に取り付けられているアノードエンドキャップ２２２を有する缶体１２０へ取り付けることができる。スチール缶体が使用される場合、アノードエンドキャップ２２２を缶体にカップリングし、カソードエンドキャップ２２８をカバーの端子にカップリングしてもよい。
真空埋め戻し法等の従来技術によって形成された後、電解充填液及び電解充填ゲルを電池ロール体へ挿入できる。電池ロール２１０をそのように充填する１方法は、電池の充電中及び放電中の気体交換も提供する。これは、ガイドワイヤあるいはコレクター延長部に溝またはノッチを提供して、気密シールの形成を防止し、溝並びにノッチに液体及び気体を通過させることで可能となる。
追加の電気的、熱的及び物理的利用性を提供するよう、フレキシブルな導電性要素をエンドキャップ２２２，２２８間、及び缶体１２０及びカバー３１０等のそれぞれの外部電池容器要素へ挿入してもよい。例えば、その場で溶接または圧縮固定されたバネ搭載セパレータを使用してもよい。場合によっては、波状ワッシャータイプ装置を提供してエンドキャップと外部電池容器コンポーネントとの間に必要なカップリングを提供することができる。また場合によっては、幅広の導電性及びフレキシブルなストラップをエンドキャップと電池缶体あるいは端子に溶接し、その上で曲げることで電気接続部とバネ（動的機能）を提供できる。
従来の電池設計技術は所望する結果をもたらすべく高電力を提供するよう努力しているが、本発明の実施例は高電力並びに高電流アプリケーションのための改良された電気特性を提供することができる低インピーダンス設計である。電池（セル）内部とエンドキャップの低抵抗性もまた電池からの発熱と放熱を減少させる。本発明のエンドキャップとコレクター延長部への取り付け方法は外部電池コンポーネントへの良好なヒートシンクを提供し、電池内での不都合な熱蓄積を防止する。
高電力のためのＬｉＦｅＰＯ４黒鉛剤を利用するリチウムイオン電池では、電気活性材料を利用する電流コレクターの両面をコーティングする従来プロセスで電極が製造される。実施例によっては、２面のカソードとアノードの厚みはそれぞれ２００ミクロンと１００ミクロンである。アノードとカソード電流コレクターの厚みは約１２ミクロンである。セパレータの厚みは約２５ミクロンである。寸法が約０．１６ｍｍ×０．３２ｍｍ（断面）であるアルミニウムと銅のガイドワイヤは“１８６５０”形態等のロール状電池形態へと同心状に巻き上げられる。
カソード及びアノードの長さは、それぞれ約５５ｃｍと約６１ｃｍである。レーザー溶接を使用してガイドワイヤをアノード及びカソード延長部電流コレクターへ結合する。銅及びアルミニウムのストラップ（８ｍｍ×０．１ｍｍ×２．０ｃｍ）を使用してジェリーロールをスチール缶体とヘッダへそれぞれ接合する。単電池を活性化させた後、１８６５０ベース形態の１０００Ｈｚインピーダンスは約１０．５ミリオームであった。
単電池は、高電流あるいは連続した高電流放電でパルスされた時に低い自己発熱した。このインピーダンスは単電池で使用される電極の長さに関係しており、同様の構造を有する“２６６５０”形態の単電池の１０００Ｈｚインピーダンスは約８．５ミリオームであった。
図１０は、本発明によって製造されるスタック式の電気化学保存装置の１実施例を示している。
２枚のセパレータシート２０６ａは、電極２０４ａと２０８ａとの間に提供されている。ガイドワイヤ２２０ａと２２６ａは延長部２１２ａと２１４ａにそれぞれ接して提供されている。最終製品はセパレータと電極材料の比較的平坦に積み重ねたシートを含んでおり、平坦に積み重なったシートの直線形状に一致するよう、ガイドワイヤもまた直線状である。
図１１は、本発明のさらに別の実施例を示しており、セパレータシート２００６は折畳部２００６ａと２００６ｂに沿って折り畳んだものを含んだアコーディオン形状に折り畳まれている。その他のシートである電極材料２００４及び２００８は、折り畳まれたセパレータ２００６によって提供された形成部の対面側に提供されている。電池装置を形成するため、エンドキャップと端子接続部が構造体に追加される。図１０のスタック形態物同様にこの形態物は必要に応じた数の層を含めるように拡張（図示せず）できる。
本発明の説明並びに実施例を検討すれば、当業者なら本発明の範囲から逸脱することなく本発明を変更することができる。本発明の範囲は前述の実施例に限定されない。
２０４ カソード
２０６ セパレータシート
２０８ アノード
２２０、２２６ ガイドワイヤ
２２２ アノード導電エンドキャップ
２２８ カソード導電エンドキャップ
２００６ セパレータシート
２０６ セパレータシート
２０８ アノード
２２０、２２６ ガイドワイヤ
２２２ アノード導電エンドキャップ
２２８ カソード導電エンドキャップ
２００６ セパレータシート
Claims (31)
- 電気化学保存装置であって、
少なくとも一方が電極活性材料を実質的に含まない縁部を有した正電極シートと負電極シート、及び前記正電極シートと前記負電極シートとの間に提供されたセパレータシートと、
電極活性材料を実質的に含まない電極シートの縁部に隣接し、該縁部と共に電極エンドキャップを提供する導電ガイドワイヤと、
を含んでいることを特徴とする装置。 - ガイドワイヤの厚みは、電極活性材料を実質的に含まない電極シートの縁部の隣接部分間に存在する放射状空間と実質的に等しいことを特徴とする請求項１記載の装置。
- ガイドワイヤの物理的寸法は、選択された熱容量を提供するように選択されることを特徴とする請求項１記載の装置。
- 電極シートの一方は、その両面の部分に活性材料の層が提供されている電流コレクターシートを含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
- 電極活性材料を実質的に含まない縁部を有する負電極シートと、
電極活性材料を実質的に含まない縁部を有する正電極シートと、
電極活性材料を実質的に含まない前記負電極シートの縁部に隣接し、該負電極シートと共に第１電極エンドキャップを提供する第１導電ガイドワイヤと、
電極活性材料を実質的に含まない前記正電極シートの縁部に隣接し、該正電極シートと共に第２電極エンドキャップを提供する第２導電ガイドワイヤと、
をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。 - 第１電極エンドキャップと第２電極エンドキャップとは、コイル状構造体の対面する端部に提供されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
- 第１電極エンドキャップは、カソードエンドキャップを提供し、
第２電極エンドキャップは、アノードエンドキャップを提供することを特徴とする請求項５記載の装置。 - 導電部を有する収容体と、導電端子を有するカバーとを含んでおり、
カソードエンドキャップは、前記カバーの前記導電端子に電気的にカップリングされており、
アノードエンドキャップは前記収容体の前記導電部に電気的にカップリングされていることを特徴とする請求項７記載の装置。 - カソードエンドキャップをカバーに電気的にカップリングするフレキシブルな導電部材をさらに含んでいることを特徴とする請求項８記載の装置。
- 導電部を有する収容体と、導電端子を有するカバーとを含んでおり、
アノードエンドキャップは、前記カバーの前記導電端子へ電気的にカップリングされており、
カソードエンドキャップは、前記収容体の前記導電部へ電気的にカップリングされていることを特徴とする請求項７記載の装置。 - アノードエンドキャップをカバーへ電気的にカップリングするフレキシブルな導電部材をさらに含んでいることを特徴とする請求項１０記載の装置。
- 負電極シートと第１導電ガイドワイヤとは、共にアルミニウムを含んで成り、
正電極シートと、第２導電ガイドワイヤとは、共に銅を含んで成ることを特徴とする請求項５記載の装置。 - 導電エンドキャップの一面の一部に提供された溶接部をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
- 溶接部は、レーザー溶接によって形成されることを特徴とする請求項１３記載の装置。
- 溶接部は、導電ガイドワイヤの連続巻上部と、電極エンドキャップを提供する電極シートの縁部を通る電気的接続を提供することを特徴とする請求項１３記載の装置。
- 溶接部は、電極エンドキャップのその面に放射状に提供されていることを特徴とする請求項１３記載の装置。
- 負電極シート、正電極シート、セパレータシート及び導電ガイドワイヤは、共軸的に巻き上げられ、実質的に円筒状特徴を有する実質的に同心状の巻上げ体を提供することを特徴とする請求項１記載の装置。
- 負電極シート、正電極シート、セパレータシート及び導電ガイドワイヤは、共軸的に巻き上げられ、実質的にプリズム形状を有する実質的に同心状の巻上げ体を提供することを特徴とする請求項１記載の装置。
- 電極エンドキャップは、液体通路をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
- 電気化学保存装置を製造する方法であって、
少なくとも一方が電極活性材料を実質的に含まない領域を有する負電極シートと正電極シートとの間にセパレータシートを提供するステップと、
電極活性材料を実質的に含まない電極シートの領域に隣接させ、該領域と共に電極エンドキャップを提供するように導電ガイドワイヤを配置するステップと、
を含んでいることを特徴とする方法。 - 負電極シート、セパレータシート、正電極シート及び導電ガイドワイヤは、共軸的に巻き上げ、コイル状構造体を構成するステップを含んでいることを特徴とする請求項２０記載の方法。
- 負電極シートと正電極シートとの間にセパレータシートを提供するステップは、前記負電極シートと前記正電極シートとの間にセパレータシートを積み重ねてスタック構造体を形成するステップを含んでいることを特徴とする請求項２０記載の方法。
- 電極エンドキャップの一面の少なくとも一部を横切って溶接部を提供し、電極活性材料を実質的に含まない電極シートの領域にガイドワイヤを固定するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項２０記載の方法。
- 溶接部は、電極エンドキャップの面の一部に放射状に提供されていることを特徴とする請求項２３記載の方法。
- 電極エンドキャップを電気化学保存装置の一端子へ電気的にカップリングするステップをさらに含んでおり、
前記電気化学保存装置の端子は、外部回路の端子へ接続できることを特徴とする請求項２０記載の方法。 - 電気化学保存装置を製造する方法であって、
電極活性材料を実質的に含まない領域を有する負電極シートを提供するステップと、
電極活性材料を実質的に含まない領域を有する正電極シートを提供するステップと、
前記負電極シートと前記正電極シートとの間にセパレータシートを提供するステップと、
電極活性材料を実質的に含まない前記負電極シートの領域に隣接させ、前記負電極シートと共に第１電極エンドキャップを提供するように第１導電ガイドワイヤを配置するステップと、
電極活性材料を実質的に含まない前記正電極シートの領域に隣接させ、前記正電極シートと共に第２電極エンドキャップを提供するように第２導電ガイドワイヤを配置するステップと、
を含んでいることを特徴とする方法。 - 第１電極エンドキャップの一面の少なくとも一部を横切って溶接部を提供し、電極活性材料を実質的に含まない負電極シートの領域へ第１ガイドワイヤを固定するステップと、
第２電極エンドキャップの一面の少なくとも一部を横切って溶接部を提供し、電極活性材料を実質的に含まない正電極シートの領域へ第２ガイドワイヤを固定するステップと、
をさらに含んでいることを特徴とする請求項２６記載の方法。 - 第１電極エンドキャップを電気化学保存装置の第１端子へ電気的にカップリングするステップと、
第２電極エンドキャップを電気化学保存装置の第２端子へ電気的にカップリングするステップと、をさらに含んでおり、
前記電気化学保存装置の第１端子と第２端子とは、外部回路の端子へ接続できることを特徴とする請求項２６記載の方法。 - 電池パック装置であって、
少なくとも一方が電極活性材料を実質的に含まない縁部を有し、中間にセパレータシートを配した少なくとも２つの電気的に相補的な電極シートを含んだ少なくとも１つの構造体を含んでおり、
該少なくとも１つの構造体は、電極活性材料を実質的に含まない電極シートの縁部に隣接し、該縁部と共に電極端子を提供する導電ガイドワイヤをも含んでいることを特徴とする電池パック装置。 - 第１構造体と第２構造体とは、直列に電気的接続されていることを特徴とする請求項２９記載の装置。
- 第１構造体と第２構造体とは、並列に電気的接続されていることを特徴とする請求項２９記載の装置。
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