JP2009164146A

JP2009164146A - バイポーラ電気化学二次電池

Info

Publication number: JP2009164146A
Application number: JP2009107140A
Authority: JP
Inventors: Randy Ogg; ランディーオッグ，; David Russel Smith; デイビッドラッセルスミス，; David Fraser Park; デイビッドフレイザーパーク，
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-03
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2009-07-23
Also published as: EP2273580A2; RU2007144705A; WO2006119289A3; JP2008541353A; US20100304216A1; EP1878083A2; US20060292443A1; US20100310923A1; RU2414023C2; MX2007013852A; EP2273580A3; BRPI0611426A2; US7794877B2; WO2006119289A2

Abstract

【課題】シール性が改良されたバイポーラ電池を提供すること。
【解決手段】バイポーラ電池は、正のモノポーラ電極ユニット、負のモノポーラ電極ユニット、その間に積み重ねられる少なくとも１つのバイポーラ電極ユニット、各隣接する電極ユニットを隔てる電解質層、および、それに隣接する電極ユニットと共同して電解質層の周囲にシールを作り出すための、各電解質層の周囲に位置付けられるガスケットを有する。バイポーラ電池はまた、ガスケットによって作り出されるシールを維持するための、包装部を有する。
【選択図】なし

Description

（関連出願の参照）
本出願は、米国特許仮出願第６０／６７７，５１２号（２００５年５月３日出願）の利益を主張し、該特許仮出願はその全体が、本明細書において参考として援用される。

（技術分野）
本発明は概して電池に関し、特に、シール性が改良されたバイポーラ電池に関する。

バイポーラ電池は、増大した放電率、およびその外部接続部間で標準的な渦巻き型電池または角型電池よりも高い電位を提供することができ、よって特定の用途において高い需要がある。従来の電池は、２つしか電極を持たない渦巻き型セル電池、または並列した多くの板のセットを持つ標準的角型セル電池のいずれかとして、製造されている。これらのいずれの種類においても、電解質は、電池内のあらゆる場所において共有され得る。渦巻き型セルおよび角型セル構造は、直列配置において、複数の接続をまたぎ、１つのセルから次のセルへと回路全体にわたる非常に長い距離をカバーしなければならない電気回路のために、電気抵抗が高いという問題がある。

近年、バイポーラ電池が開発され、それは一般に一連の積み重ねられたバイポーラ電極ユニット（ＢＰＵ）を含み、各ＢＰＵは集電体の両側にコーティングされる正の活性物質電極層および負の活性物質電極層を備えている（例えば、Ｆｕｋｕｚａｗａらの特許文献１（２００４年８月１９日公開）を参照すること。該特許はその全体が、本明細書において参考として援用される）。任意の２つの隣接するＢＰＵは、それら２つのＢＰＵの集電体を電気的に分離するために、その間に電解質層を有する。バイポーラ電池の直列構成は、集電体の間で異なる電位をもたらす。しかし、集電体が互いに接触する場合には、または任意の２つの隣接するＢＰＵの共通電解質が任意の他のＢＰＵと共有される場合には、前記電池の電圧およびエネルギーは素早くゼロに弱まる（つまり放電する）。

従って、隣接するＢＰＵ間の電解質の改良されたシール性をバイポーラ電池に提供できることは有益である。

米国特許公開第２００４／０１６１６６７号明細書

それ故に、隣接するバイポーラ電極ユニット間の電解質の改良されたシール性を、バイポーラ電池に提供することが、本発明の目的である。

発明に従って、正のモノポーラ電極ユニット、負のモノポーラ電極ユニット、正の電極ユニットと負の電極ユニットとの間で積み重ねられる少なくとも１つのバイポーラ電極ユニット、および各対の隣接する電極ユニット間に提供される電解質層を有するバイポーラ電池が提供される。バイポーラ電池はまた、電解質層のそれぞれの周囲に位置付けられるガスケットを含み、電解質層のそれぞれは、そのそれぞれのガスケットおよびそのそれぞれの対になった隣接する電極ユニットによってシールされる。
本発明は、さらに以下の手段を提供する。
（項目１）
正のモノポーラ電極ユニットと、
負のモノポーラ電極ユニットと、
該正の電極ユニットと該負の電極ユニットとの間に積み重ねられる少なくとも１つのバイポーラ電極ユニットと、
各対の隣接する電極ユニットの間に提供される電解質層と、
該電解質層のそれぞれの周囲に位置付けられるガスケットと、
を備える、バイポーラ電池であって、
該電解質層のそれぞれは、そのぞれぞれのガスケットおよびそのそれぞれの対になった隣接する電極ユニットによってシールされる、
バイポーラ電池。
（項目２）
正の端子電極層上に正の活性物質を有する正のモノポーラユニット（ＭＰＵ）と、
負の端子電極層上に負の活性物質を有する負のＭＰＵと、
該正のＭＰＵと該負のＭＰＵとの間に実質的に垂直に積み重なって配置される、少なくとも１つのバイポーラユニット（ＢＰＵ）であって、各ＢＰＵは、
２つの側面を有するバイポーラ電極層と、
該バイポーラ電極層の第一側面上の正の活性物質と、
該バイポーラ電極層の第二側面上の負の活性物質と、
を備える、ＢＰＵと、
該実質的に垂直に隣接するポーラユニットのそれぞれの間に位置付けられる、電解質材料を有する電解質層であって、該電解質層は、その間に該電解質層が位置付けられる隣接するポーラユニットの、該電極層を電気的に分離するバリア材料、をさらに備える、電解質層と、
各電解質層の実質的周囲に位置付けられるシールリングと、
を備える、バイポーラ電池であって、
該ポーラユニット、該電解質層、および該シールリングは、該正のＭＰＵが構造の一方の端に位置付けられかつ該負のＭＰＵが構造の反対側の端に位置付けられるスタック構造として配置され、かつ、締め付け力が該スタック構造に加えられ、該電解質層、少なくとも１つのポーラユニットの該正の活性物質、および隣接するポーラユニットの該負の活性物質の実質的周囲に該シールリングを位置付けさせ、該電解質材料をシールする、
バイポーラ電池。

図１は、本発明によるバイポーラ電極ユニット（ＢＰＵ）の基本構造の概略断面図である。図２は、本発明による図１のＢＰＵのスタックの基本構造の概略断面図である。図３は、本発明による図２のＢＰＵのスタックを実装するバイポーラ電池の基本構造の概略断面図である。図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶから取られた、図３のバイポーラ電池の概略上面図である。図４Ａは、図３の線ＩＶＡ−ＩＶＡから取られた、図３のバイポーラ電池の概略上面図である。図５は、図３〜図４Ａのバイポーラ電池の基本構造の概略回路図である。図６は、図３〜図５のバイポーラ電池の特定部分の詳細な概略断面図である。図７は、図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩから取られた、図３〜図６のバイポーラ電池の概略上面図である。図８は、図６の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩから取られた、図３〜図７のバイポーラ電池の概略上面図である。図９は、図６の線ＩＸ−ＩＸから取られた、図３〜図８のバイポーラ電池の概略上面図である。図１０は、本発明の好適な実施形態によるバイポーラ電池を形成するための方法の、第一段階における特定要素の概略断面図である。図１１は、図１０の線ＸＩ−ＸＩから取られた、図１０の要素の概略上面図である。図１２は、本発明の好適な実施形態によるバイポーラ電池を形成するための方法の、第二段階における特定要素の概略断面図である。図１３は、図１２の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩから取られた、図１２の要素の概略上面図である。図１４は、本発明の好適な実施形態によるバイポーラ電池を形成するための方法の、第三段階における特定要素の概略断面図である。図１５は、図１４の線ＸＶ−ＸＶから取られた、図１４の要素の概略上面図である。図１６は、本発明の好適な実施形態によるバイポーラ電池を形成するための方法の、第四段階における特定要素の概略断面図である。図１７は、図１６の線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩから取られた、図１６の要素の概略上面図である。図１８は、本発明の好適な実施形態によるバイポーラ電池を形成するための方法の、第五段階における特定要素の概略断面図である。図１９は、本発明の好適な実施形態によるバイポーラ電池を形成するための方法の、第六段階における特定要素の概略断面図である。図２０は、図１９の線ＸＸ−ＸＸから取られた、図１９の要素の概略上面図である。図２１は、本発明の代替的な実施形態によるバイポーラ電池を形成するための方法の、第六段階における特定要素の概略断面図である。図２２は、図２１の線ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩから取られた、図２１の要素の概略上面図である。図２３は、本発明の代替的な実施形態によるバイポーラ電池の概略上面図である。図２４は、図２３の線ＸＸＩＶ−ＸＸＩＶから取られた、図２３のバイポーラ電池の概略断面図である。

本発明の上記およびその他の利点は、添付の図面と併せてとられる、下記の詳細な説明を考慮することにより一層明白となる。図面において、同じ参照文字が全体にわたって同じ部品を参照する。

本発明は、正のモノポーラユニット（ＭＰＵ）端子、負のＭＰＵ端子、その間に実質的に垂直に配置される少なくとも１つのバイポーラユニット（ＢＰＵ）を有する、バイポーラ電池を提供する。各ＢＴＵは２つの側面を有する電極層（導電基板など）を含む。正の活性物質は、前記電極層の第一側面上に形成または位置付けられ、負の活性物質は前記電極層の第二側面上に形成または位置付けられる。本発明のバイポーラ電池はまた電解質層を含み、それは各隣接する電極ユニット間（すなわち、各ＭＰＵと隣接するＢＰＵとの間、および各ＢＰＵと隣接するＢＰＵとの間）の電解質、およびその間に電解質層が位置付けられる隣接する電極ユニットを電気的に分離するバリアを有する。また、本発明のバイポーラ電池は、ガスケットとそれに隣接する２つの電極層との間の電解質層の電解質をシールするために、各電解質層の実質的周囲に位置付けられるガスケットを含む。

本発明を、図１〜図２４を参照して説明する。

図１は、不浸透性導電基板６の第一側面上に提供される正の活性物質電極層４、および前記不浸透性導電基板６の他方の側面上に提供される負の活性物質電極層８を含む、本発明の一実施形態に従った例示的なＢＰＵ２を示す。

図２に示されるように、１つのＢＰＵ２の正の電極層４が電解質層１０を介して隣接するＢＰＵ２の負の電極層８と対向するように、複数のＢＰＵ２は、２つの隣接するＢＰＵ２間に提供される電解質層１０を伴って、スタック２０となるように実質的に垂直に積み重ねられ得る。各電解質層１０は好ましくは、電解質１１を保持するセパレータ９を含む（例えば、図６を参照）。セパレータ９は、前記正の電極層４およびそれに隣接する負の電極層８を電気的に分離することができる一方で、下記でより詳しく説明されるように、再結合のための前記電極ユニット間のイオン移行を可能にする。

引き続き図２のＢＰＵ２のスタック状態を参照して、第一ＢＰＵ２の正の電極層４および基板６、第一ＢＰＵ２に隣接する第二ＢＰＵ２の負の電極層８および基板６、および前記第一および第二ＢＰＵ２間の電解質層１０に含まれる構成要素は、ここでは「セル区分」２２として参照される。各セル区分２２の各不浸透性基板６は、該当する隣接するセル区分２２によって共有される。

図３および図４に示されるように、本発明の一実施形態に従って、正および負の端子が１つ以上のＢＰＵ２のスタック２０に沿って提供され、バイポーラ電池５０を構成することができる。正のＭＰＵ１２は、不浸透性導電基板１６の一方の側に提供される正の活性物質電極層１４を含み、その間に提供される電解質層（すなわち、電解質層１０ｅ）を伴って、スタック２０の第一端に位置付けられ得、その結果として、正のＭＰＵ１２の正の電極層１４が電解質層１０ｅを介してスタック２０の第一端においてＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ｄ）の負の電極層（すなわち、層８ｄ）と対向する。負のＭＰＵ３２は、不浸透性導電基板３６の一方の側に提供される負の活性物質電極層３８を含み、その間に提供される電解質層（すなわち、電解質層１０ａ）を伴って、スタック２０の第二端に位置付けられ得、その結果として、負のＭＰＵ３２の負の電極層３８が電解質層１０ａを介してスタック２０の第二端においてＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ａ）の正の電極層（すなわち、層４ａ）と対向する。所望の場合には、ＭＰＵ１２および３２は、対応する正および負の電極導体１３および３３をそれぞれ備えることができる。

各ＭＰＵの基板および電極層は、図３に示されるように、その隣接するＢＰＵ２の基板および電極層、およびその間の電解質層１０と共に、セル区分２２を形成し得ることに注意すべきである。スタック２０における積み重ねられたＢＰＵ２の数は１つ以上であり得、電池５０に対する所望の電圧に対応するために適切に決定される。各ＢＰＵ２は任意の所望の電位を提供することができ、その結果として、各構成要素ＢＰＵ２によって提供される電位を効果的に加えることによって、電池５０に対する所望の電圧が得られる。各ＢＰＵ２が同じ電位を提供する必要はないことが、理解される。

適切な一実施形態において、バイポーラ電池５０は、ＢＰＵスタック２０およびそのそれぞれの正および負のＭＰＵ１２および３２の全体が、減圧下で電池ケースまたは包装部４０に封入される（例えば、ハーメチックシールされる）ように構成される。ＭＰＵ導電基板６および３６（または少なくともそれらのそれぞれの電極導体１３および３３）は、使用時に外部からの衝撃を軽減し、かつ環境劣化を防ぐために、電池ケース４０から引き出され得る。くぼみ４２が、薄型ケーシングおよび平坦面のために、ＭＰＵ１２および３２に提供され得る。

第一セル区分２２の電解質（例えば、図６Ａのセル区分２２ａの電解質１１ａを参照）が別のセル区分２２の電解質（例えば、図６Ａのセル区分２２ｂの電解質１１ｂを参照）と結合することを防ぐために、隣接する電極ユニット間で、好ましくもガスケットが電解質層１０とともに積み重ねられ、その特定のセル区分２２内の電解質をシールする。適切な一配置において、図３〜図４Ａに示されるように、本発明のバイポーラ電池は、その区分（すなわち、そのガスケットに隣接するＢＰＵまたはＢＰＵとＭＰＵ）のガスケットおよび電極ユニットとの間で電解質をシールするために、およびその区分の隣接する導電基板６／１６／３２間の適切な間隙を保つために、電解質層１０および各セル区分２２の活性物質電極層４、８、１４および３８の周囲の、連続ループとして位置付けられるガスケット６０を含み得る。

下記でより詳しく説明されるように、１つの適切な方法において、セル区分２２およびガスケット６０を図３〜図４Ａに示されるシール構造に圧縮し保持するために、圧力が矢印Ｐ１およびＰ２の方向にケース４０の最上部および底部に加えられ得る。別の適切な方法において、セル区分２２およびガスケット６０を図３〜図４Ａに示されるシール構造に圧縮し保持するために、圧力が矢印Ｐ３およびＰ４の方向にケース４０の側面に加えられ得る。さらに別の適切な方法において、セル区分２２およびガスケット６０を図３〜図４Ａに示されるシール構造に圧縮し保持するために、圧力が矢印Ｐ１およびＰ２の方向にケース４０の最上部および底部に加えられ得、かつ圧力が矢印Ｐ３およびＰ４の方向にケース４０の側面に加えられ得る。そのようなバイポーラ電池５０は、図５に示されるように、積み重ねられて直列接続される複数のセル区分２２を含み、所望の電圧を提供することができる。

図６を参照すると、本発明の電池５０の２つの特定のセル区分２２の分解図が示されている。セル区分２２ａは、ＭＰＵ３２の基板３６および負の電極層３８、電解質層１０ａ、ならびにＢＰＵ２ａの正の電極層４ａおよび基板６ａを含む。セル区分２２ｂは、ＢＰＵ２ａの基板６ａおよび負の電極層８ａ、電解質層１０ｂ、ならびにＢＰＵ２ｂの正の電極層４ｂおよび基板６ｂを含む。上記のように、各電解質層１０は、セパレータ９および電解質１１を含み得る。その区分のセパレータ９および電解質１１が、その特定のセル区分のガスケット６０および隣接する基板によって画定される空間内で完全にシールされるように、ガスケット６０は、各セル区分２２の電解質層１０の周囲に連続ループとして提供され得る。

図６および図７に示されるように、ガスケット６０ａは、そのセパレータ９ａおよび電解質１１ａがセル区分２２ａのガスケット６０ａ、基板３６、および基板６ａによって画定される空間内で完全にシールされるように、電解質層１０ａを取り囲む。同様に、図６および図８に示されるように、ガスケット６０ｂは、そのセパレータ９ｂおよび電解質１１ｂがセル区分２２ｂのガスケット６０ｂ、基板６ａ、および基板６ｂによって画定される空間内で完全にシールされるように、電解質層１０ｂを取り囲む。さらに、各ガスケットは、その側面に接触することによって、そのセル区分の活性物質層と共に、シールを形成することができる（例えば、ガスケット６０ａおよび活性物質層３８および４ａの側面を参照）。

適切な一実施形態において、より良いシール性を作成するために、互いに接触するガスケットおよびその隣接する基板の表面領域に溝をつけることができる。図６〜図９に示されるように、溝７０が、前記ガスケットおよび前記基板の表面領域に沿って互いに接触する点において形成され得、それによって、接触域の寸法を増大させ、かつガスケットと基板との間に作られるシールを破ろうとする流体に対するより大きな抵抗の経路を作り出すことができる。前記ガスケットおよび前記特定の基板の表面間の溝７０の断面積は、例えば正弦曲線（例えば、図６の溝７０ａを参照）、Ｖ字形（例えば、図６の溝７０ｂを参照）、または長方形（例えば、図６の溝７０ｃを参照）などの任意の適切な形状であり得る。さらに、そのセル区分の特定の基板の周囲の溝７０の経路は、例えば平坦かつ連続（例えば、図７の溝７０ａを参照）、のこぎり状かつ連続（例えば、図８の溝７０ｂを参照）、または非連続（例えば図９の溝７０ｃを参照）などの任意の適切なデザインであり得る。本明細書で説明されるガスケットと基板との間に提供される溝の形状および寸法は単なる例示であり、任意の様々なサイズおよび形状を使用してそのような溝を作成することができる。さらに、本発明の特定の実施例に従って、ガスケットと基板との間に溝が提供されないこともあり得る。

本発明の電極ユニットを形成するために使用される基板（例えば、基板６、１６および３６）は、孔のあいていない金属箔など、任意の適切な導電性および不浸透性材料で形成され得る。例えば、各ＢＰＵの基板は、一般的には１から５ミリメートルの間の厚さであり得、一方では各ＭＰＵの基板は、５から１０ミリメートルの間の厚さで、電池の端子の役割を果たすことができる。各基板は、例えば、アルミニウム箔、ステンレス鋼箔、ニッケルおよびアルミニウムを含むクラッド材、銅およびアルミニウムを含むクラッド材、ニッケルメッキ鋼、ニッケルメッキ銅、ニッケルメッキアルミニウム、金、銀、またはその任意の適切な組み合わせで作られ得る。各基板は、特定の実施形態において、互いに接着される２枚以上の金属箔で作られ得る。

本発明の電極ユニットを形成するためにこれらの基板に提供される正の電極層（例えば、正の電極層４および１４）は、例えば水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２）などの任意の適切な活性物質で形成され得る。前記正の活性物質は、焼結および含浸する、水性結合剤でコーティングして圧縮する、有機結合剤でコーティングして圧縮する、またはその他の支持化学物質とともにＮｉ（ＯＨ）_２を導電基質に含有させるその他任意の適切な方法によって含有され得る。前記電極ユニットの前記正の電極層は、膨張を軽減するために、Ｎｉ（ＯＨ）_２基質内に注ぎ込まれる金属水素化物（ＭＨ）粒子を有し得、それはサイクル寿命を増加させ、再結合を向上させ、かつ前記セル区分内の圧力を減らす。前記ＭＨはまた、Ｎｉ（ＯＨ）_２ペーストの結合内に存在して、電極内の電気伝導率を向上し、かつ再結合を支持し得る。例えばＰｄまたはＡｇなど、その他の化学物質が、ＭＨに置き換わり得る。

本発明の電極ユニットを形成するためにこれらの基板に提供される負の電極層（例えば、負の電極層８および３８）は、例えば金属水素化物（ＭＨ）、Ｃｄ、ＺｎおよびＡｇなどの任意の適切な活性物質で形成され得る。前記負の活性物質は、含浸する、水性結合剤でコーティングして圧縮する、有機結合剤でコーティングして圧縮する、またはその他の支持化学物質とともにＭＨを導電基質に含有させるその他の任意の適切な方法によって含有され得る。ＭＨ電極側は、ＭＨ基質に注ぎ込まれるＮｉ（ＯＨ）_２を有し、構造を安定化し、酸化を軽減し、かつサイクル寿命を延長し得る。例えばＺｎまたはＡｌなど、その他の化学物質が、Ｎｉ（ＯＨ）_２に置き換わり得る。

例えば有機ＣＭＣ結合剤、ＣｒｅｙｔｏｎゴムおよびＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））などの、様々な適切な結合剤が、前記層をそれらの基盤に保持するために、前記活性物質層に混合され得る。

本発明のバイポーラ電池の各電解質層１０のセパレータ９は、その２つの隣接する電極ユニットを電気的に分離する一方で、それらの電極ユニット間のイオン移行を可能にする任意の適切な材料で形成され得る。前記セパレータはセルロース超吸収体を含み得、充填を改善し、サイクル寿命を増加させるように電解質貯蔵器としての役目を果たし、前記セパレータは例えば高吸収材料（ｐｏｌｙａｂｓｏｒｂｄｉａｐｅｒｍａｔｅｒｉａｌ）で作られ得、それによってセパレータは好ましくも、電池に電荷が加えられるときには、以前吸収された電解質を解放し得る。特定の実施形態において、前記セパレータは通常のセルよりも低い密度でかつより厚くすることができ、その結果として、電極間間隔（ＩＥＳ）が通常よりも大きく始まって継続的に減少し、その寿命にわたって電池のＣ率および容量を維持し、ならびに電池の寿命を延長することができる。

セパレータは、電極ユニット上の活性物質の表面に結合される通常の材料よりも薄くされ得、短絡を軽減して再結合を向上することができる。このセパレータ材料は例えば、吹き付け塗装、コーティング、または圧着され得る。特定の実施形態において、セパレータは、それに結合される再結合物質を有し得る。この物質は前記セパレータの構造内に注ぎ込まれ得る（これは、前記物質をセパレータの繊維と結合させるためのＰＶＡを使用して、湿式処理法で前記物質を物理的に閉じ込めることによって行い得るか、または前記物質が、例えば電気堆積法によってその中に入れられ得る）か、または蒸着によって表面上の層とされ得る。材料は、Ｐｂ、Ａｇまたは再結合を効果的に支援するその他の任意の物質であり得る。基板が互いに向かって動く場合には、セパレータが好ましくは抵抗を示す一方で、屈曲しないような十分に剛な基板を利用する本発明の特定の実施形態においては、セパレータが提供されないこともあり得る。

本発明のバイポーラ電池の各電解質層１０の電解質１１は、溶解または融解してイオン化すると電気的導電媒質を生成する、任意の適切な化合物で形成され得る。前記電解質は好ましくは、例えば水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カルシウム（ＣａＯＨ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含む、標準ＮｉＭＨ電解質である。電解質はまた、例えばＡｇ（ＯＨ）_２などの、再結合を向上させる添加物を含み得る。電解質はまた、例えば低温性能を向上するために、ＲｂＯＨを含み得る。本発明の一部の実施形態において、電解質（例えば、電解質１１）はセパレータ（例えば、セパレータ９）内で凍結され、そして電池が完全に組み立てられたあとに解凍され得る。このことは、ガスケットがそれに隣接すると基板と共に実質的な流体密封性のシールを形成する前に、特に粘性電解質が、バイポーラ電池の電極ユニットスタックの中に挿入され得るようにする。

本発明のバイポーラ電池のガスケット６０は、ガスケットおよびそれに隣接する基板によって画定される空間内に電解質を有効にシールし得る、任意の適切な材料または材料の組み合わせで形成され得る。特定の実施形態において、前記ガスケットは、例えばナイロン、ポリプロピレン、セルガード、ゴム、ＰＶＡ、またはその他任意の非導電材料、またはその組み合わせなどの、固体シールループから形成され得る。このシールリングは、シール性を向上するために圧縮性であり得る。圧縮は好ましくは約５％であり得るが、良好なシール性を保証するために、どのような弾力性でも必要とされ得る。

あるいは、前記ガスケットは、例えばエポキシ、ブレアタール（ｂｒｅａｔａｒ）またはＫＯＨ不浸透性接着剤などの、粘性ペーストから形成され得る。さらに他の実施形態において、本発明のバイポーラ電池において利用されるガスケットは、ガスケットとそれに隣接する電極ユニット基板との間のシール性を向上させるために使用される、固体シールループおよび粘性ペーストの組み合わせによって形成され得る。あるいは、基板自体が、ガスケットがその間に積み重ねられる前に、粘性ペーストで処理され得る。

上記のように、バイポーラ電池デザインを利用する１つの利点は、前記電池の増加した放電率である。この増加した放電率は、角型電池または渦巻き型電池デザインでは実行の可能性のない、特定の低腐食性電解質の使用（例えば、電解質のＫＯＨ成分を取り除くか、または減らすことによって）を可能にする。低腐食性電解質を使用するためにバイポーラデザインによって提供されるこの余裕は、特定のエポキシ（例えば、ＫＯＨ電解質を持たないＪ−ＢＷｅｌｄエポキシなど）が、さもなければ高腐食性電解質によって腐食される、ガスケットによりシールを形成する際に利用できるようにする。

上記のとおり、その隣接する基板内の相手方の溝に対して適合するように、各ガスケットの頂部および底部に溝をつけることができる。さらに、各ガスケットは、スタックとして設置されるときに、その隣接する基板の外側縁をこえて適合するように、外縁を成形（例えば、図６および図８の基板６ａに対するガスケット６０ａを参照）され得る。

本発明のバイポーラ電池のケースまたは包装部４０は、それらの導電電極層（すなわち、層４および３８）またはそれらの関連導体（すなわち、導体１３および３３）を露出するために、端子電極ユニット（すなわち、ＭＰＵ１２および３２）に対してシールする、任意の適切な非導電材料で形成され得る。前記包装部はまた、好ましくは、それらのそれぞれのセル区分内の電解質を分離するためのガスケットとその隣接する電極ユニット基板との間のシールを、支持しかつ維持する。包装部は好ましくは、セル区分内の内圧が増加するときに電池の膨張に抵抗できるように、これらのシールに必要な支持を与える。包装部は、例えばナイロンまたは強化複合材料を含むその他の高分子または弾性材料、または収縮包装材料で作られ得、またはエナメル塗装鋼またはその他の金属などの隆線付き（ｒｉｄｇｅｄ）材料で作られ得る。

引き続き図３を参照すると、本発明のバイポーラ電池５０は、ＭＰＵ１２および３２、ならびにその間のＢＰＵ（例えば、ＢＰＵ２ａ〜２ｄ）のスタックによって形成される、複数のセル区分（例えば、セル区分２２ａ〜２２ｅ）を含む。発明の特定の実施形態に従って、基板（例えば、基板６ａ〜６ｄ）、電極層（例えば、正の層４ａ〜ｄおよび１４、および負の層８ａ〜８ｄおよび３８）、電解質層（例えば、層１０ａ〜１０ｅ）、およびガスケット（例えば、ガスケット６０ａ〜６０ｅ）のそれぞれの厚さおよび材料は、セル区分ごとにのみでなく、特定のセル区分内においても異なることができ、それによって、多量の異なる利点および性能特徴を有する電池を作成することができる。

例えばＢＰＵ２ａの基板６ａは正の活性物質電極層４ａを形成するために、例えば図４Ａに示されるように、最も外の部分４ａ’、中間の部分４ａ’’、および最も内の部分４ａ’’’ごとに、その種々の部分に沿って様々な活性物質でコーティングされ得る。部分４ａ’〜４ａ’’’のそれぞれは、例えば様々な活性物質によって形成され得、および／または種々の厚さで形成され得る。

さらに、図４Ａの基板６ａに関して上記の、特定の基板、電極層、電解質層、またはガスケット内の異なる材料および厚さに加えて、前記基板、電極層、電解質層、およびガスケットの材料および厚さは、セル区分のスタックの高さに沿って変化し得る。例として、電池５０の電解質層のそれぞれにおいて使用される電解質は、そのそれぞれのセル区分が、セル区分のスタックの中央にどれだけ近いかに基づいて変化し得る。例えば、セル区分２２ｃ（すなわち、電池５０における５つの区分２２の中央のセル区分）は、第一電解質を形成する電解質層（すなわち、電解質層１０ｃ）を含むことができ、一方では、セル区分２２ｂおよび２２ｄ（すなわち、電池５０において端末のセル区分に隣接するセル区分）は、それぞれ第二電解質を形成する電解質層（すなわち、それぞれ電解質層１０ｂおよび１０ｄ）を形成することができ、また一方では、セル区分２２ａおよび２２ｅ（すなわち、電池５０における最外のセル区分）は、それぞれ第三電解質を形成する電解質層（すなわち、それぞれ電解質層１０ａおよび１０ｅ）を含むことができる。内部のスタックにより高い伝導率の電解質を使用することによって、抵抗はより低くなり、発生する熱が減少し、それによって外部冷却方法に代わるデザインによる電池の温度制御を提供する。

上記のように、本発明のバイポーラ電池を製作する方法は一般的に、ＭＰＵを提供するステップと、反対の極性の別のＭＰＵでスタックを仕上げる前に、その上に１つ以上のＢＰＵを、その間の電解質層およびガスケットと共に積み重ねるステップと、を含み得る。例えば、図１０および図１１に関して、負のＭＰＵ１０３２は、最初に不浸透性導電基板１０３６およびその上にコーティングされる負の活性物質電極層１０３８を提供され得る。基板１０３６は好ましくは、負の層１０３８の少なくとも部分的周囲に溝１０７０を提供され得る。

次に、ガスケット１０６０が好ましくは、基板１０３６上に、電極層１０３８の周囲に積み重ねられる（例えば、図１２および図１３を参照）。溝１０６１が好ましくは、基板１０３６に接触するガスケット１０６０の側面内に掘られ、溝１０７０および１０６１が、ガスケットと基板との間の連続接触表面領域を作り出すように整列する。これらの相互の溝は、前記ＭＰＵに関してガスケットの、その上に積み重ねられるときの、自己整列を補助し、それによってこの製造ステップを簡素化する。いったんガスケット１０６０がＭＰＵ１０３２の頂部にしっかりと積み重ねられると、実質的に流体密封性のカップ状容器（例えば、空間１０８０を参照）が、ガスケット１０６０の内側壁およびその間のＭＰＵ１０３２の部分によって画定される。ガスケットの内側壁とその間の電極ユニットの部分との間で形成される角度（例えば、図１３のガスケット１０６０の内側壁とその間のＭＰＵ１０３２との間の角度１０７８）は、直角、鈍角、または鋭角を含む任意の適切な角度であり得る。

次に、セパレータ１００９および電解質１０１１が、ガスケット１０６０の内側壁内の、負の電極層１０３８の頂部に配置され得、前記空間１０８０内に電解質層１０１０を画定する（例えば、図１４および図１５を参照）。使用される電解質が極めて粘性であるときには、ガスケットとＭＰＵとの間に作り出されるシールは、電解質が漏れる機会なく空間１０８０内に容易に注入できるようにする。前記スタックへの挿入時に電解質が粘性でない場合には（例えば、電解質がセパレータ内で凍結している実施形態において）、ガスケットがＭＰＵの上にはめ合わせられる前に、電解質層がＭＰＵ上に積み重ねられ得ることが理解される。

いったん電解質層１０１０のセパレータ１００９および電解質１０１１がガスケット１０６０およびＭＰＵ１０３２によって画定される空間１０８０内に配置されると、第一ＢＰＵ１１０２がその上に積み重ねられ得る（例えば、図１６および図１７を参照）。図１６に示されるように、ＢＰＵ１１０２は、相対する側にコーティングされる正の電極層１１０４および負の電極層１１０８を有する不浸透性導電基板１１０６を含む。基板１１０６は好ましくは、正の電極層１１０４の周囲に少なくとも部分的に、その側面の一方に溝１１７２を提供される。ＢＰＵ１１０２の正の電極層１１０４が下向きにＭＰＵ１０３２の負の電極層１０３８と向き合うように、ＢＰＵ１１０２がガスケット１０６０上に積み重ねられ、ガスケット１０６０の頂部に提供される溝１０６２および基板１１０６の溝１１７２が整列して、ガスケットと基板との間の連続接触面積を作り出す。これらの相互の溝は、ガスケットに関して、およびそれ故にＭＰＵに関して、その上に積み重ねられるときに、ＢＰＵの自己整列を補助し、それによってこの製造ステップを簡素化する。いったんＢＰＵ１１０２がガスケット１０６０の頂部およびＭＰＵ１０３２上にしっかりと積み重ねられると、第一セル区分１０２２が存在する。さらに、それによって、基板１１０６、基板１０３６、およびガスケット１０６０によって、実質的流体密封性のシールが電解質層１０１０（および電解質１０１１）の周囲に画定される。

ガスケット１０６０の頂部の溝１０６２（および基板１１０６の底部の溝１１７２）は、ガスケット１０６０の底部の溝１０６１と同じ寸法、形状および形式（断面形状的に、および電極の周囲の両方で）とすることができる一方で、前記ガスケットの頂部および底部の溝は、例えば図１６に示されるように、互いに異なり得ることに注意すべきである。同様に、電極ユニットの各基板の頂部および底部に提供される溝は、互いに異なり得る（例えば、図１６のＢＰＵ１１０２の溝１１７２および１１７０を参照）。

図１０〜図１７に関して上述したように、ＭＰＵ１０３２の頂部にガスケット１０６０、電解質層１０１０およびＢＰＵ１１０２を積み重ねることによって、この第一セル区分１０２２が作成されると、必要に応じて、同じ方法でその上に付加的なＢＰＵが積み重ねられ得る。バイポーラ電池として所望の量のＢＰＵが積み重ねられると、第二ＭＰＵがその上に積み重ねられねばならない。図１８を参照して、正のＭＰＵ１０１２が最上部のＢＰＵの頂部に積み重ねられ得る（この実施形態では、１つのみのＢＰＵが提供されているために、ＢＰＵ１１０２がその最上部のＢＰＵである）。しかし、ＭＰＵ１０１２がＢＰＵ１１０２の上に積み重ねられる前に、ガスケット１０６０および電解質層１０１０に関する上記のように、付加的なガスケット（すなわち、底部溝１１６１および頂部溝１１６２を有するガスケット１１６０）および電解質層（すなわち、セパレータ１１０９および電解質１１１１を有する電解質層１１１０）が提供され得る。

正のＭＰＵ１０１２は好ましくは、不浸透性導電基板１０１６およびその上にコーティングされる正の活性物質電極層１０１４を提供される。基板１０１６は好ましくは、正の層１０１４の少なくとも部分的周囲に溝１０７２を提供される。ＭＰＵ１０１２の正の電極層１０１４が下向きに、ＢＰＵ１１０２の負の電極層１１０８と向き合うように、ＭＰＵ１０１２はガスケット１１６０上に積み重ねられ、その結果として、ガスケット１１６０の頂部に提供される溝１１６２および基板１０１６の溝１０７２が整列して、前記ガスケットと前記基板との間に連続接触面積を作り出す。これらの相互の溝は、ガスケット１１６０、したがってＢＰＵ１１０２、したがってガスケット１０６０および負のＭＰＵ１０３２に対して、その上に積み重ねられるときの、正のＭＰＵ１０１２の自己整列を補助する。本発明のバイポーラ電池のこの自己整列機能は、この製造ステップを有意に簡素化する。いったんＭＰＵ１０１２がガスケット１１６０の頂部およびＢＰＵ１１０２上にしっかりと積み重ねられると、第二セル区分（すなわち、区分１１２２）が存在する。さらに、それによって、基板１０１６、基板１１０６、およびガスケット１１６０によって、実質的流体密封性のシールが電解質層１１１０（および電解質１１１１）の周囲に画定される。

いったん正のＭＰＵ、負のＭＰＵ、その間の少なくとも１つのＢＰＵ、および前記電極ユニットのそれぞれの間のガスケットおよび電解質層を含むようにスタックが製造され、図１０〜図１８に関して上記のように、セル区分のスタックを形成すると、本発明の機能的バイポーラ電池を形成するために、ケースまたは包装部が提供され得、スタックの内容物をシールする。第一実施形態において、図１９および図２０に示すように、好ましくは堅い包装部１０４０がセル区分（すなわち、つまりセル区分１０２２および１１２２）のスタックの周囲に提供され、その結果として、端子電極層（すなわち、正の電極層１０１４および負の電極層１０３８）が露出され（それぞれ導電基板１０１６および１０３６を介して）、かつＣ字形締め付け器具が前記包装部によってスタックの内容物の周囲に提供されて、バイポーラ電池１０５０を提供する。圧力が前記包装部によって、矢印Ｐ_Ｄの方向にＭＰＵ１０１２の基板１０１６に対して下向きに、および矢印Ｐ_Ｕの方向にＭＰＵ１０３２の基板１０３６に対して上向きに、両方に加えられる。この圧力は好ましくは、各電解質層の周囲に実質的流体密封性のバリアを作成するために、スタックの中の各ガスケットと隣接する基板との間のシール関係を維持する。本発明の特定の実施形態に従った上記のようなガスケットおよびその隣接する基板に形成される溝のはめ合いが、実質的流体密封性のシールを作成するために矢印Ｐ_ＤおよびＰ_Ｕの方向に加えられる、必要な締め付け圧力の量を減らすことに、注目すべきである。

別の実施形態において、図２１および図２２に示されるように、好ましくはシールラップ、シュリンクラップ、シールテープ、またはその他任意の適切な変形可能材料でできた包装部１０４０’が、セル区分（すなわち、セル区分１０２２および１１２２）のスタックの周囲に提供され、その結果として、端子電極層（すなわち、正の電極層１０１４および負の電極層１０３８）が露出され（それぞれ導電基板１０１６および１０３６を介して）、かつ単独外縁締め付け器具が、スタックの内容物の周囲の包装部を覆うことによって提供され、バイポーラ電池１０５０’を提供する。包装部１０４０’によって覆われたセル区分のスタックは、好ましくは、覆われたスタックと断面積が同様の形状であるがそれよりもやや大きな剛な容器１０６０’の内部に設置される。いったんスタックが剛な容器１０６０’の内部に設置されると、例えば空気、水、または泡などの圧力下で膨張する任意の適切な流体１０７０’が、容器１０６０’内に包装部１０４０’の周囲に満たされる。次いで前記容器はシールされ得、かつその閉じ込められた流体１０７０’は加圧され得、その結果として、流体は膨張して、セル区分のスタックの周囲の包装部１０４０’を堅く締め付けるように、矢印Ｐｓの方向に包装部１０４０’の全表面領域の周囲で内側に向けて圧力を提供する。この圧力は、電池１０５０’の各電解質層の周囲に実質的流体密封性のバリアを作成するために、スタックの中の各ガスケットと隣接する基板との間のシール関係を維持し、後にこの圧力は、容器１０６０’から除去され得る。

上記に説明および図示されたバイポーラ電池の実施形態のそれぞれは、円形の基板を円筒型電池となるように積み重ねることによって形成される電池を示すが、本発明のバイポーラ電池の基板を形成するために、任意の多種多様の形状が利用され得ることに注目すべきである。例えば、本発明のバイポーラ電池は、長方形、三角形、六角形、または、例えば「８の字形」などのような平面内に１つ以上の空の部分を有する形状を含む、その他の任意の考えられる形状である、断面積を有する基板を積み重ねることによって形成され得る（例えば、図２３および図２４の包装部２０４０’、ＢＰＵ２１０２、およびＭＰＵ２０１２および２０３２を有する電池２０５０を参照）。

かくして、バイポーラ電池は、正の電極ユニット、負の電極ユニット、その間に積み重ねられる少なくとも１つのバイポーラ電極ユニット、各隣接する電極ユニットを分離する電解質層、およびそれに隣接する前記電極ユニットと共同して電解質層の周囲にシールを作り出すための、各電解質層の周囲に位置付けられるガスケットを備えていることが、わかる。上記の電極ユニット、電解質層およびガスケットの材料、形状およびサイズは単なる例示にすぎないことに、注目すべきである。当業者であれば、本発明は記述された実施形態以外の実施形態によっても実践可能であり、記述され実施形態は限定の目的ではなく例示の目的のために提示されており、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されることを、理解し得る。

Claims

明細書に記載のバイポーラ電池。