JP2010541131A - 内部接触を改良した電気化学セル - Google Patents

Abstract

ストリップ状電極を備え、かつ電極の１つからのリードとセル容器の側壁との間に圧力接触を有する電気化学バッテリセル。別々の電流コレクタのないリチウム箔負極と直接圧力接触し、かつセル容器の内側部分に接触した内部リードを有し、リードとリチウム箔の間の規定の接触が容器と箔の間に電流フローを提供する螺旋巻電極アセンブリを有する電気化学セル。
【選択図】図１８

Description

本発明は、ストリップ状電極を備え、かつ電極の１つからのリードとセル容器の側壁との間に圧力接触を有する電気化学バッテリセルに関する。更に別の実施形態では、本発明は、別々の電流コレクタのないリチウム箔負極と直接圧力接触し、かつセル容器の内側部分に接触した内部リードを有し、リードとリチウム箔の間の規定の接触が容器と箔の間に電流フローを提供する螺旋巻電極アセンブリを有する電気化学セルに関する。

隣接した正極ストリップ及び負極ストリップを備えたセルを用いて、良好な高速放電性能を提供することができる。そのようなストリップを収容する電極アセンブリは、平坦で折り畳まれた又は螺旋状に巻かれた正及び負極の１つ又はそれよりも多くの対を含むことができる。セルは、電極の１つと電気接触する導電性金属から作られた容器を含むハウジングを有することができる。そのようなセルでは、セル容器は、外部接触端子に対して電気接点として機能を果たすか又はそれを提供することができる。

導電性リードは、電極と、容器又は容器の一部分を閉じるカバーのような別のセル構成要素との間で電気接触するために用いることができる。リードは、ワイヤ、ストリップ、及びバネのような様々な形態及び形状にすることができ、リードは、締結（例えば、溶接）及び圧力を含む様々な方法で容器又はカバーに接続することができる。

米国特許出願公報第２００４／０１８５３３２号、第２００５／０２３８９５６号、及び第２００６／０１４７７９２号は、リードを負極に接続するための様々な構成を有する電気化学セルに関する。

電極リードが、電極電流コレクタの露出縁又は面に溶接されたセルの実施例は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第４、５５４、２２７号、並びに公開日本特許公報第０５−１２１０６４号及び第０９−０３５７３９号に見出される。これらの各々において、リードは、溶接によって外部端子に電気的に接続される。米国特許第４、５５４、２２７号において、リードは曲げられて、電極電流コレクタの露出上縁に対する溶接の強度を改良する。

圧力接触が、電極アセンブリのコアにおいてリードと電極電流コレクタの露出部分との間で用いられるセルの実施例は、米国特許第３、２４５、８３７号及び第５、０２１、３０６号に見出され、これらの特許は、本明細書において引用により組み込まれている。米国特許第３、２４５、８３７号において、リードは、カバープレートと外部端子とに締結された導電性ストリップである。米国特許第５、０２１、３０６号において、リードは、金属スプリントであり、容器の開放端上のキャップに溶接された板バネが、スプリントと圧力接触する。

複数の電極から突出する電流コレクタの裸部分であるリードを備えたセルの実施例は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許公報第２００２／００９４４７８号Ａ１に見出される。複数のリードは、曲げられて互いに溶接され、次に、セルカバーに締結される。リードにおける曲げ部は、良好な溶接強度を提供する。

電極アセンブリの底部から延びて容器の底部に溶接されたリードを備えたセルの実施例は、公開日本特許公報第０９−３３０６９７号に見出される。Ｖ字形溝が、リードの容器に溶接された部分に形成され、良好な溶接強度を提供する。

一方の電極とセル容器の間、及び他方の電極と容器を閉じるカバーの間の電気接触を提供するリードを備えたセルの実施例は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第５、４１８、０８４号及び第４、９６３、４４６号、並びに本明細書の図１及び２に見出される。セルは、螺旋状に巻かれた電極アセンブリを備えた円筒形セルである。図１及び２を参照して以下により詳細に説明するように、各セルにおいて、バネが、正極とセルカバーの間に電気接触を提供し、金属ストリップリードが、負極と容器の側壁の間の電気接触を提供する。バネは、セルカバーに締結され、電極アセンブリの上部において露出された正極電流コレクタと圧力接触する。金属ストリップリードは、負極に締結されて、容器の側壁の内面と圧力接触する。信頼できる圧力接触は、製造における通常の変動の範囲の下でリードと容器の間に必要である。

図１及び２のセルのようなセルでは、従来技術により作られる時に、容器側壁と電極アセンブリの間のリードは、容器における電極アセンブリの緊密嵌合により圧力接触状態で保持される。信頼できる電気接触のために、容器の内径及び電極アセンブリの外径の変動は、小さくなければならない。１つの方法は、電極アセンブリの外部側面の周りを包む材料のストリップの長さを変化させて、直径の差をもたらす可能性がある電極の厚みの変動を補償することである。材料のこの外側ストリップは、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第４、９６３、４４５号に開示されたように、セパレータの１つ又はそれよりも多くのストリップ又は上包装材料の別々のストリップとすることができる。

金属リチウム及びリチウム合金は、様々なセル構成において負極活物質として用いられ、リチウムは、セル放電中に反応を通じて消費される。放電を通して負極の導電性を維持するために、アノード対カソード（Ａ／Ｃ）のより高い界面理論入力容量比、すなわち、リチウムの理論容量の超過量を利用すること、及び電流コレクタを利用することを含む様々な解決法が呈示されている。多くの異なるタイプ及び様式の電流コレクタが利用されており、導電箔が第１及び第２のリチウムシートの間に位置決めされたリチウムシート、導電箔、及び第２のリチウムシートのサンドイッチ構成を開示する例えば米国特許第５、３６８、９５８号を参照されたい。重要なことに、リチウムアノードは、放電中に消費されるので、リチウムの不足分を有することは、アノードが、いくらかでも電極に相違部がある場合に切断を受ける場合があることを意味する。これらの切断部は、適切な電流コレクタへのアノードを横切る電子の移送を阻止し、従って、これが、多くの従来技術の解決法は、コレクタがアノードの長さ及び／又は幅に及ぶことを必要とする理由である。

例えば折り畳むか又は丸めてジェリーロール形態にすることができるストリップ状負極に対して長さ方向に又は幅方向に延びるリチウム又はリチウム合金負極のための電流コレクタ又はリードが開示されている。共に引用により本明細書に全内容が組み込まれる米国特許出願公報第２００５／０２３８９５６号及び米国特許出願公報第２００６／０１７２１９０号は、螺旋状に巻かれた負極の一部分にわたって電極の幅又は軸線方向高さの約９０％だけ幅方向に、すなわち、軸線方向に延び、かつ巻かれた電極アセンブリの外周の近くに位置決めされた負極リードを開示している。

米国特許出願公報第２００４／０１８５３３２号 米国特許出願公報第２００５／０２３８９５６号 米国特許出願公報第２００６／０１４７７９２号 米国特許第４、５５４、２２７号 公開日本特許公報第０５−１２１０６４号 公開日本特許公報第０９−０３５７３９号 米国特許第３、２４５、８３７号 米国特許第５、０２１、３０６号 米国特許公報第２００２／００９４４７８号Ａ１ 公開日本特許公報第０９−３３０６９７号 米国特許第５、４１８、０８４号 米国特許第４、９６３、４４６号 米国特許第４、９６３、４４５号 米国特許第５、３６８、９５８号 米国特許出願公報第２００６／０１７２１９０号 米国特許出願公報第２００５／０２４４７０号 米国特許第６、８４９、３６０号 米国特許第５、２９０、４１４号 米国特許出願第１０／７１９、４２５号 米国特許出願出願番号第１０／４９３、３１４号 米国特許出願出願番号第１１／５８１、９９２号

本発明の目的は、電極リードとセル容器の側壁との間に信頼できる圧力接触を提供することである。本発明の付加的な利点は、以下に限定されるものではないが、接触信頼性の改良、製造における変動許容性の増大、セル構成要素の数の低減、製造の容易さの改良、製造廃棄物の低減、及び製品コストの低減を含むことができる。

本発明の別の目的は、セルの容器の導電構成要素に電極を電気的に接続するためのリードを予想外に備えることができるリチウム又はリチウム合金から成る負極を含み、実質的な長さ方向又は幅方向の電流収集接触の必要性が省かれている電気化学セルを提供することである。

本発明の別の目的は、別々の電流コレクタのないリチウム負極と、リチウム電極及びセル容器の一部分に直接接続した比較的短い長さを有するリードとを有し、それによって好ましくは活物質に利用することができる増大した内部区域を有するセルを提供する電気化学セルを提供することである。

更に別の目的は、実質的にセル機能に影響を与えることなく電極の幅に接触するリードの長さ及び距離を縮小することによって具現化されるようなリチウム箔電極との比較的小さな接触面積を有する負極リードを提供することである。

更に別の目的は、リチウムの消費を阻止してセル使用寿命を低下させる可能性がある放電中にリチウムがリードから隔離されるのを阻止する設計を有する１次セルのリチウム箔電極に接続した負極リードを提供することである。

本発明の更に別の目的は、１．０未満である界面理論アノード対カソード入力容量比（Ａ／Ｃ＜１）を有する電極アセンブリを含み、負極リードが、リチウム又はリチウム合金から成りかつ別々の電流コレクタのない負極に接触した比較的小さな面積を有する電気化学セルを提供することである。

本発明の更に別の目的は、アノード不足であり、かつ１．０未満の界面理論アノード対カソード入力容量比を有し、実質的に全て界面に配向された負極活物質が、電流コレクタのない負極に接触した比較的小さな面積を有する負極リードを利用する時でさえも性能の実質的な損失なしに消費される電気化学セルを提供することである。

本発明の別の態様は、閉鎖端、端部アセンブリによって密封された開放端、及び閉鎖端と開放端の間に延びる側壁を有する実質的に円筒形の導電容器と、二硫化鉄を含む正極と、少なくとも９０重量％のリチウムを有し、かつ累積表面積を有する基本的にリチウム又はリチウム合金から成る負極と、セパレータと、非水有機電解質と、容器内に位置して負極と電気接触した内部リードとを含み、リードが、負極の累積表面積の０．７％未満に接続した表面積を有し、正極、負極、及びセパレータが、内部リードが容器又は端部アセンブリと電気接触するようにジェリーロール電極アセンブリに巻かれ、セルに対する理論界面アノード対カソード入力容量比が１．０未満である電気化学セルに関する。

本発明の別の態様は、閉鎖端、端部アセンブリによって密封された開放端、及び閉鎖端と開放端の間に延びる側壁を有する実質的に円筒形の導電容器と、容器内に配置され、長さ及び幅を有する基本的にリチウム又はリチウム合金の１つ又はそれよりも多くの層から成りかつ別々の電流コレクタのない負極、正極、有機非水電解質、及び負極と正極の間に配置されたポリマーセパレータを含む螺旋巻電極アセンブリと、容器内に位置して負極を容器に電気的に接続する内部リードとを含み、リードの一方の端部部分が、リチウム又はリチウム合金の１つ又はそれよりも多くの層に直接接続され、リードが、接続の位置でセルの縦軸に対して平行に測定されたリチウム又はリチウム合金層の幅の１０％から８８％未満まで負極の一方の幅端部から測定された距離だけ延びている電気化学セルに関する。

本発明の更に別の態様は、閉鎖端、端部アセンブリによって密封された開放端、及び閉鎖端と開放端の間に延びる側壁を有する実質的に円筒形の導電容器と、容器内に配置され、累積表面積を作り出す長さ及び幅を有する基本的にリチウム又はリチウム合金から成る負極ストリップ、正極ストリップ、有機非水電解質、及び負極ストリップと正極ストリップの間に配置されたセパレータを有する螺旋巻電極アセンブリと、容器内に位置して負極を容器に電気的に接続する内部リードとを含み、リードの一方の端部部分が、リチウム又はリチウム合金に接続され、容器の側壁と負極又は正極のいずれかとの間に直接電気接触がなく、リードが、負極の底部部分に沿って接続され、電極アセンブリの外側に延びて容器の側壁又は底壁と圧力接触し、リードが、負極の累積表面積の０．７％未満に接続した表面積を有し、かつセルの縦軸に対して平行に測定された負極の幅の１０％から８８％未満まで負極の一方の幅端部から測定された距離だけ延びている電気化学セルに関する。

本発明のこれら及び他の特徴、利点、及び目的は、以下の明細書、特許請求の範囲、及び添付の図面を参照して当業者によって更に理解され、かつ認められるであろう。

本発明は、図面を参照して本発明の詳細説明を読むことにより、より良く理解され、かつ他の特徴及び利点が明らかになるであろう。

容器とセル電極の間で電気接触するために容器の壁の側面と容器の外部側面の間に配置されたリードを備えた電気化学バッテリセルの縦断面図である。 容器と接触する電極リードの位置を示す図１のセルの一部分の拡大図である。 単一Ｖ字形溝を備えた電極リードの終端部分の横方向断面図である。 単一円弧形溝を備えた電極リードの終端部分の横方向断面図である。 電極アセンブリの縦軸に垂直なＶ字形電極リードを備えた電極アセンブリの断面図である。 電極アセンブリの縦軸に垂直な円弧形電極リードを備えた電極アセンブリの断面図である。 電極アセンブリが缶に挿入された後の図４Ａの電極アセンブリ及びリードの断面図である。 電極アセンブリが缶に挿入された後の図４Ｂの電極アセンブリ及びリードの断面図である。 缶に対するリードのバネ力を判断するのに用いるモデルにおける電極アセンブリ、平坦な電極リード、及び缶の開始位置を示す断面図である。 缶に対するリードのバネ力を判断するのに用いるモデルにおける電極アセンブリ、Ｖ字形電極リード、及び缶の開始位置を示す断面図である。 缶に対するリードのバネ力を判断するのに用いるモデルにおける電極アセンブリ、円弧形電極リード、及び缶の開始位置を示す断面図である。 ０．０５１ｍｍ厚掛ける４．７５ｍｍ幅の平坦な電極リードに対して電極アセンブリ変位の関数としてバネ力を示すコンピュータモデルで発生させたグラフである。 ０．０５１ｍｍ厚掛ける４．７５ｍｍ幅の金属ストリップのストリップから作られた９０度の脚角度を有するＶ字形電極リードに対して電極アセンブリ変位の関数としてバネ力を示すコンピュータモデルで発生させたグラフである。 ０．０５１ｍｍ厚掛ける４．７５ｍｍ幅の金属ストリップのストリップから作られた１．７８ｍｍの円弧半径を有する円弧形電極リードに対して電極アセンブリ変位の関数としてバネ力を示すコンピュータモデルで発生させたグラフである。 ０．０５１ｍｍ厚掛ける４．７５ｍｍ幅の金属ストリップのストリップから作られた１．９１ｍｍの円弧半径を有する円弧形電極リードに対して電極アセンブリ変位の関数としてバネ力を示すコンピュータモデルで発生させたグラフである。 ０．０５１ｍｍ厚掛ける４．７５ｍｍ幅の金属ストリップのストリップから作られた２．２９ｍｍの円弧半径を有する円弧形電極リードに対して電極アセンブリ変位の関数としてバネ力を示すコンピュータモデルで発生させたグラフである。 ０．０５１ｍｍ厚掛ける３．１７５ｍｍ幅の平坦な電極リードに対して電極アセンブリ変位の関数としてバネ力をコンピュータモデルで発生させたグラフである。 ０．０５１ｍｍ幅厚掛ける３．１７５ｍｍ幅の金属ストリップのストリップから作られた９０度の脚角度を有するＶ字形電極リードに対して電極アセンブリ変位の関数としてバネ力を示すコンピュータモデルで発生させたグラフである。 ０．０５１ｍｍ厚掛ける３．１７５ｍｍ幅の金属ストリップのストリップから作られた１．４０ｍｍの円弧半径を有する円弧形電極リードに対して電極アセンブリ変位の関数としてバネ力を示すコンピュータモデルで発生させたグラフである。 巻かれていない構成で部分的に示すリチウム箔電極の長さ端部に接続され、かつ電極の幅に沿って比較的短い距離だけ延びる負極リードの一実施形態の概略立面図である。 リチウム箔電極に接続されていないリードの自由端が、電極の底幅端部の周りで折り畳まれ、かつ電極アセンブリの側面に沿って上方に延び、そこから離間してセル容器の内部部分と接触するようになった部分を含む、図１５に示す実施形態の側立面図である。 アノード及びカソード、並びに界面電極幅「Ａ」の図である。 別々の電流コレクタのない負極に接続した成形負極リードの接続の一実施形態を示す図である。

本発明は、図１及び２を参照してより良く理解されると考えられる。セル１０は、ＦＲ６タイプの円筒形Ｌｉ／ＦｅＳ₂バッテリセルである。セル１０は、閉鎖底部とセルカバー１４及びガスケット１６で閉じた開放上端とを備えた缶１２の形態の容器を含むハウジングを有する。缶１２は、ガスケット１６及びカバー１４を支持するために、上端の近くにビード又は小径ステップを有する。ガスケット１６は、缶１２とカバー１４の間で圧縮されて、アノード又は負極１８、カソード又は正極２０、及びセル１０内の電解質を密封する。アノード１８、カソード２０、及びセパレータ２６は、互いに螺旋状に巻かれて電極アセンブリになる。カソード２０は、電極アセンブリの上端から延びて、接触バネ２４でカバー１４の内面に接続した金属電流コレクタ２２を有する。アノード１８は、金属リード（又はタブ）３６（図２）によって缶１２の内面に電気的に接続される。リード３６は、アノード１８に締結され、電極アセンブリの底部から延び、底部を横切って電極アセンブリの側面に沿って折り畳まれる。リード３６は、缶１２の側壁の内面と圧力接触する。電極アセンブリが巻かれた後に、それは、製造工程におけるツーリングにより挿入前に互いに保持することができ、又は材料外側端（例えば、セパレータ又はポリマーフィルム外側包装３８）は、例えば、ヒートシール、接着、又はテーピングによって留めることができる。

絶縁錐体４６は、電極アセンブリの上部の周囲部分の周りに位置して、カソード電流コレクタ２２が缶１２と接触するのを阻止し、カソード２０の底縁部と缶１２の底部の間の接触は、セパレータ２６の内向きに折り畳まれた延長部及び缶１２の底部に位置決めされた電気絶縁底部ディスク４４によって阻止される。

セル１０は、缶１２及びガスケット１６の内向きに圧接された上縁によって所定位置に保持され、１つ又はそれよりも多くの通気開口（図示せず）を有する別々の正の端子カバー４０を有する。缶１２は、負の接触端子として機能を果たす。接着ラベル４８のような絶縁ジャケットは、缶１２の側壁に付加することができる。

端子カバー４０の周囲フランジとセルカバー１４の間に配置されるのは、不適切な電気条件下で電流の流れを実質的に制限する正の温度係数（ＰＴＣ）デバイス４２である。セル１０はまた、圧力緩和通気孔を含む。セルカバー１４は、ウェル２８の底部に通気孔３０と共に内向きに突出している中心通気ウェル２８を含む開口を有する。開口は、通気ボール３２及び薄壁温度ブッシング３４によって密封され、これは、通気ウェル２８の垂直壁と通気ボール３２の周囲との間で圧縮される。セルの内圧が所定のレベルを超える時に、通気ボール３２、又はボール３２及びブッシング３４の両方は、セル１０から加圧ガスを放出するように開口から押し出される。他の実施形態では、圧力緩和通気孔は、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれている米国特許出願公報第２００５／０２４４７０号に開示するような破裂膜、又は引き裂くか又はそうでなければ壊すことができる鋳造した溝のような比較的細い区域によって閉鎖された開口とすることができ、密封プレート又は容器壁のようなセルの一部分において通気開口を形成することができる。

本発明によるセルの一実施形態では、電極アセンブリの側面と缶の側壁の間に配置された電極リードの終端部分は、最初は非平面である。本明細書で用いられる場合、最初は非平面とは、缶への電極アセンブリの挿入前の非平面を意味する。電極アセンブリの挿入前に、リードの終端部分が形成されて、缶の側壁との圧力接触の改良をもたらすことができる非平面形状を作り出す。非平面形状は、リードの終端部分にバネ状特性を提供し、結果としてリードの終端部分により力の印加をもたらし、缶の側壁に対してリードを付勢し、それによって電極アセンブリの側面と缶の側壁の間に所定の間隙に対する圧力接触の改良をもたらし、良好な電気接触を維持することができる最大可能間隙を増大させる。様々な非平面形状は、１つ又はそれよりも多くのＶ字状、円弧など、並びにこれらの組合せを有する断面を有する形状を含んで用いることができる。単一Ｖ字形及び円弧形溝を備えたリードの実施例は、図３Ａ及び３Ｂにそれぞれ示され、これらのなかで、溝１５２、２５２は、リード１３６、２３６の終端部分において底部１５４、２５４及び縁部１５６、２５６を有する。

セル製造中に、リードの成形終端部分は、例えば、電極アセンブリの側面に向けて変形して缶へのその挿入を容易にすることができ、その後、リードの終端部分は、その最初の非平面形状に向けて部分的に跳ね返ることができるが、缶の側壁の内面に力を印加するように少なくとも部分的に圧縮されたままであり、それによって缶と良好な物理的及び電気的に接触する。図４Ａ及び４Ｂは、リード１３６、２３６の終端部分が、電極アセンブリ１５０、２５０の外部側面に隣接した位置に曲げられた後の電極アセンブリ１５０、２５０及びリード１３６、２３６（図３Ａ及び３Ｂ）の終端部分の断面形状である。図５Ａ及び５Ｂは、缶１１２、２１２への挿入後の電極アセンブリ１５０、２５０及びリード１３６、２３６の終端部分を示している。リード１３６、２３６の終端部分は、挿入前形状と比較して部分的に圧縮されるので、これらは、例え電極アセンブリ１５０、２５０の側面と缶１１２、２１２の側壁の間に間隙１５８、２５８があっても、缶１１２、２１２の内面に対してバネ力を印加する。

リードの終端部分に形成された形状は、セルの電気又は放電特性が望ましくないほど影響を受けることになるポイントまで電極アセンブリ、リード、又は缶に損傷を与えることなく、缶への電極アセンブリの挿入を可能にすることになるあらゆる方法で配向することができる。溝が配向されて、電極アセンブリの縦軸に対して平行になるように、リードの終端部分の形状を配向することで、有害な損傷を引き起こすことなく缶への挿入前のリードの変形と挿入後のリードの跳ね返りを容易にすることができる。更に、リードの終端部分の縁部が、電極アセンブリに向けて内向きに向かないようにリードを配向することにより、電極アセンブリの損傷の危険は、低減することができる。例えば、単一溝を備えたリードは、溝の底部が電極アセンブリに向けて内側に向いて、溝の縁部が缶の側壁に向けて外側に向くように配向することができる。

缶とリードの間で接触の損失なく収容することができる最大間隙、又は電極アセンブリの外径と缶の内径の間の差は、式１及び式２をそれぞれ用いてリードの全幅に延びる単一Ｖ字形溝を備えたリードに対して及び単一円弧形溝を備えたリードに対して計算することができる（リードの変形した終端は、電極アセンブリ及び缶によって制約されない場合、その元の形状に完全に跳ね返ることができるものと仮定して）。

ここで、Ｗ＝リードが作られた平坦なストリップ幅、ｔ＝リードのストリップ厚、θ＝Ｖ脚角度（図３Ａ参照）、ＩＤ＝缶の内径、及び０°≦θ≦１８０°。この計算は、Ｖの脚が出会う区域がないと仮定し、区域が有る場合、最大間隙は、計算値未満になる。

ここで、Ｗ＝リードが作られた平坦なストリップ幅、ｔ＝リードのストリップ厚、Ｒ＝円弧半径、ＩＤ＝缶の内径、及び（Ｗ／Ｒ）≦π。

コンピュータモデリングを用いて、リード材料の特性及び寸法、並びに電極アセンブリ及び缶の寸法などを考慮に入れて、リードと缶の側壁の間の物理的接触を保証することになるリードの終端のための形状及びリードを形成するためのツーリングを構成し、形成中のリードの損傷を阻止することができる。コンピュータモデリングを同様に用いて、リードの損傷（例えば、金属における引き裂き、孔及びしわ、並びにリードの表面からのメッキの磨耗）を回避するようにリードの終端部分を望ましい形状に形成するためのツーリングを設計することができる。コンピュータモデリングのために用いることができる市販のソフトウエアの例は、ＡＢＡＱＵＳ（米国ロードアイランド州のポータケット所在のヒビット・カールソン・アンド・ソレンセン・インコーポレーテッドから）及び「ＭＡＲＣ Ｋ ７．３」（米国カリフォルニア州のロサアンジェルス所在のエムエスシー・ソフトウエアから）を含む。

リードの終端部分に形成された形状は、いくつかの方法のいずれにおいても有利である可能性がある。例えば、リードを缶への電極アセンブリの挿入前の平面終端部分と比較して、成形終端部分は、より良好なバネ特性を提供し、電極アセンブリの側面と缶の側面の間の直径のより大きな差を容認し、リード材料のタイプ及び寸法の選択のより大きな自由を可能にすることができる。そのような利点は、結果としてセル特性の改良、セル製造のより容易さ、及び／又はセル製造原価の低減をもたらすことができる。

セル容器は、多くの場合、図１の缶のような閉鎖底部を備えた金属缶である。缶材料は、セルに用いる活物質及び電解質の一部に依存することになる。一般的な材料タイプは、鋼である。例えば、缶は、腐食から缶の外側を保護するように少なくとも外側上をニッケルでメッキした鋼で作ることができる。メッキのタイプは、様々な程度の耐食性を提供するか又は望ましい外観を提供するように変えることができる。鋼のタイプは、容器が形成される方式に一部は依存することになる。打ち抜き缶に対して、鋼は、ＡＳＴＭ９から１１の粒度を有して、僅かに細長い粒形に対して等軸にした拡散焼きなまし処理した低炭素のアルミニウムキルドＳＡＥ１００６又は同等の鋼とすることができる。ステンレス鋼のような他の鋼を用いて、特殊な必要性を満たすことができる。例えば、缶がカソードと電気接触する時に、ステンレス鋼は、カソード及び電解質による腐食に対する耐性の改良に用いることができる。

セルカバーは、金属とすることができる。ニッケルメッキ鋼を用いることができるが、ステンレス鋼は、多くの場合、特にカバーがカソードと電気接触する時望ましい。カバー形状の複雑性はまた、材料選択の因子になると考えられる。セルカバーは、厚い、平坦なディスクのような簡単な形状を有することができ、又はそれは、図１に示すカバーのようなより複雑な形状を有することができる。カバーが図１のような複雑な形状を有する時に、ＡＳＴＭ８−９の粒度を有するタイプ３０４の軟化焼きなましステンレス鋼を用いて、望ましい耐食性及び金属形成の容易さを提供することができる。形成されたカバーはまた、例えば、ニッケルでメッキすることができる。

端子カバーは、周囲の環境の水による腐食に対する良好な耐性、良好な導電性、及び消費者向けバッテリで見られるような魅力的な外観を有するべきである。端子カバーは、多くの場合、ニッケルメッキ冷延鋼又はカバーが形成された後にニッケルメッキされた鋼から作られる。端子が圧力緩和通気孔の上に位置する場合、端子カバーは、一般的にはセルの通気を容易にするように１つ又はそれよりも多くの孔を有する。

ガスケットは、望ましい密封特性を提供するあらゆる好ましい熱可塑性材料から作られる。材料選択は、一部は電解質組成に基づいている。好ましい材料の実施例は、ポリプロピレン、硫化ポリフェニレン、四フッ化パーフルオロアルキル・ビニルエーテル・コポリマー、ポリブチレンテレフタレート、及びこれらの組合せを含む。好ましいガスケット材料は、ポリプロピレン（例えば、米国デラウェア州のウィルミントン所在のバセル・ポリオレフィンズからのＰＲＯ−ＦＡＸ（登録商標）６５２４）、ポリブチレンテレフタレート（例えば、米国ニュージャージー州のサミット所在のチコナーＵ．Ｓ．からのＣＥＬＡＮＥＸ（登録商標）ＰＢＴ、等級１６００Ａ）、及び硫化ポリフェニレン（例えば、米国テキサス州のシャイナー所在のボーデッカー・プラスチック・インコーポレーテッドからのＴＥＣＨＴＲＯＮ（登録商標）ＰＰＳ）を含む。無機充填剤及び／又は有機化合物を強化する少量の他のポリマーもガスケットの主剤に加えることができる。

ガスケットは、シーラントで被覆して、最良のシールを設けることができる。エチレンプロピレンジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）は、好ましいシーラント材料であるが、他の好ましい材料を用いることができる。

通気ブッシングは、高温（例えば、７５℃）で低温流れに対して耐性である熱可塑性材料から作られる。熱可塑性材料は、エチレン−テトラフルオロエチレン、ポリブチレンテレフタレート、硫化ポリフェニレン、ポリフタルアミド、エチレン−クロロトリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアル缶、フッ化パーフルオロエチレンポリプロピレン、及びポリエーテルエーテルケトンのような主剤を含む。エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、及びポリフタルアミドが好ましい。樹脂は、熱安定化充填剤を加えることにより修飾されて、高温で望ましい密封及び通気特性を有する通気ブッシングを提供することができる。ブッシングは、熱可塑性材料から射出成形することができる。ＴＥＦＺＥＬ（登録商標）ＨＴ２００４（２５重量パーセントの細断ガラス充填剤を有するＥＴＦＥ樹脂）は、好ましい熱可塑性材料である。

通気ボールは、セル内容物に接触して安定であり、望ましいセル密封及び通気特性を提供するあらゆる好ましい材料から作ることができる。ガラス又はステンレス鋼のような金属を用いることができる。

アノードは、リチウム箔と呼ばれることもあるリチウム金属のストリップを含む。リチウムの組成は、変化する場合があるが、バッテリ等級リチウムに対して純度は常に高い。リチウムは、アルミニウムのような他の金属と合金にして、望ましいセル電気性能を提供することができる。０．５重量パーセントのアルミニウムを含有するバッテリ等級リチウム−アルミニウム箔は、米国ノースカロライナ州のキングスマウンテン所在のケメタル・フート・コーポレーションから入手可能である。

アノードは、金属リチウムの表面内又は表面上に電流コレクタを有することができる。図１のセルにあるように、別々の電流コレクタは、リチウムが高導電性を有するので必要ない場合があるが、電流コレクタは、例えば、リチウムが消費される時に放電中にアノード内の電気的導通を維持するように含めることができる。アノードが電流コレクタを含む時に、それは、その導電性のために銅で作ることができるが、他の導電性材料も、これらがセルの内側で安定である限り用いることができる。

好ましい実施形態では、アノード又は負極は、別々の電流コレクタがなくて、１つ又はそれよりも多くのストリップ又はリチウム金属箔又はリチウム含有合金は、単独でリチウム又はリチウム含有合金の比較的高い導電性により電流コレクタとして機能を果たす。電流コレクタを利用しないことにより、より多くの空間が、活物質のような他の構成要素のために容器内で利用可能である。アノード電流コレクタなしのセルを提供することで、同じくセル費用を低減することができる。好ましくは、リチウム又はリチウム含有合金の単層又はストリップは、負極として利用される。

電気リードは、アノード又は負極をセル端子の１つ（図１に示すＦＲ６セルの場合は缶）に接続する薄い金属ストリップから作ることができる。これは、アノードの一部分内にリードの端部を埋め込むか、又はリチウム箔の表面上にリードの端部のような一部分を単にプレス成形することによって達成することができる。リチウム又はリチウム合金は、接着特性及び一般的に少なくとも僅かで十分な圧力を有し、又はリードと電極の間の接触は、構成要素を互いに溶接することになる。１つの好ましい実施形態では、負極は、巻いてジェリーロール構成にする前にリードを含む。例えば、生成中に、リチウム又はリチウム合金から成る少なくとも１つの負極を含むバンドが、リード接続ステーションにおいて提供され、そこでリードは、望ましい位置で電極の表面上に溶接される。タブ電極は、必要に応じて電極に接続されていないリードの自由端を成形するために、リードが鋳造されるように実質的に処理される。その後、負極は、正極及びセパレータのような電極アセンブリの残りの望ましい構成要素と結合され、巻かれてジェリーロール構成になる。好ましくは、巻き操作が実施された後に、自由負極リード端部は、セル容器への挿入前に曲げて図１６に示すような構成にすることによって更に処理される。

金属ストリップは、多くの場合、ニッケル又はニッケルメッキ鋼から作られて、リチウムに直接加えられる。他の好ましい負極リード材料の例は、以下に限定されるものではないが、銅及び少量不純物の均衡を取った状態で、銅、銅合金、例えば、銅合金７０２５、銅、約３％のニッケル、約０．６５％のシリコン、及び約０．１５％のマグネシウムを含むニッケル合金、並びに銅合金１１０及びステンレス鋼を含む。リード材料は、組成が非水電解質を含む電気化学セル内で安定であるように選択すべきである。一般的には回避すべきであるが比較的少量の不純物として存在する場合がある金属の例は、アルミニウム、鉄、及び亜鉛である。

導電性負極リードは、リードを通して電流の十分な伝送を可能にし、セルの使用寿命に対して最小の影響を与えるか全く影響を与えないように十分に低い抵抗を有する。リードの抵抗は、ほぼ１５ｍΩ／ｃｍ未満、及び好ましくは、４．５ｍΩ／ｃｍ未満である。この広い範囲は、０．１０２ｍｍ（０．００４インチ）厚、４．７５０ｍｍ（０．１８７インチ）幅の３０４ステンレス鋼で獲得することができる。例えば、０．０５６ｍｍ（０．００２２インチ）厚及び４．７５０ｍｍ（０．１８７インチ）幅のニッケルメッキ冷延鋼（すなわち、０．０５１ｍｍ（０．００２インチ）厚の冷延鋼及び．００２５ｍｍ（０．０００１インチ）厚のニッケルの２層）は、４．９ｍΩ／ｃｍの抵抗を有する。ニッケルメッキ冷延鋼よりも導電性のリード材料を利用することにより、厚み及び幅のようなリードの寸法は、縮小することができる。しかし、薄すぎるか又は狭すぎるリードは、セルに電圧変動を起こしやすくする可能性があるリード／容器接触抵抗を増大させる場合がある。望ましい負極リード抵抗値を提供する好ましいリード材料の例は、以下に限定されるものではないが、１．８ｍΩ／ｃｍのタブ抵抗を提供する０．０５１ｍｍ（０．００２インチ）厚及び４．７５０ｍｍ（０．１８７インチ）幅を有する銅合金７０２５、２．７ｍΩ／ｃｍのタブ抵抗を提供する０．０３４ｍｍ（０．００１３３インチ）厚及び４．７５０ｍｍ（０．１８７インチ）幅を有する銅合金７０２５、３．６ｍΩ／ｃｍのタブ抵抗を提供する０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）厚及び４．７５０ｍｍ（０．１８７インチ）幅を有する銅合金７０２５、並びに４．０ｍΩ／ｃｍのタブ抵抗を提供する０．０３３８ｍｍ（０．００１３３インチ）厚及び３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）幅を有する銅合金７０２５を含む。

「背景技術」において上述したように、様々な従来技術文献では、負極と容器又は端子のような別のセル構成要素との間に電気路の一部分を設けるために実質的に距離全体、負極にわたる長さ方向又は幅方向のいずれか、又はこれらの組合せに延びる金属電流コレクタ及び／又はリードを利用する。本発明の重要な態様は、リチウム又はリチウム合金から成る負極が、あらゆる主な軸線方向又は半径方向接触の必要性がないほど十分に導電性であるにも関わらず、リチウム又はリチウム合金は、セル内の化学反応中に使い果たされる（それによって電極の活物質にわたって潜在的な電子導電経路を低下させるか又は排除する）という発見である。更に、予想外なことに、負極の軸線方向又は幅方向に延びる負極リードの長さは、負極に接触した長さが負極の軸線方向又は幅方向距離の５０％未満か又はそれに等しく延びる時に更に有効であることが見出されている。更に予想外なことには、別々の電流コレクタがない場合に負極とリードの実質的な軸線方向又は半径方向接触は、セルがリチウムの界面不足分を含む時にさえも実質的に排除することができる。

注意すべきことには、上述のリチウムの不足分は、界面理論Ａ／Ｃ比としても公知であって本明細書でそのように呼ぶ界面理論アノード対カソード入力容量比に関連している。電極、すなわち、負極又は正極の界面理論入力容量は、活物質の全ての完全な反応を仮定して、セル放電反応機構全体及び対向電極の活物質に隣接した活物質混合物の部分内に含まれる活物質の総量に基づいて、セルの理論放電容量に対する電極の界面に整列させた電気化学活物質の総寄与である。入力容量は、一般的にはＡｈ又はｍＡｈで表される。電極の２つの主な表面のうちの一方だけが対向電極の隣接活物質である時に、電極のその側面上の活物質のみが、負極が好ましい実施形態において電流コレクタを含まないような本発明の負極の場合の固体電流コレクタシートのその側面上の物質か、又は固体電流コレクタシートなしの電極の半分の厚みの物質のいずれであっても、界面理論入力容量の測定に含まれる。

本発明内で利用されるような界面理論アノード対カソード入力容量比は、以下のように計算される。
直線インチ当たりアノード容量／直線インチ当たりカソード容量

各電極容量は、標準単位面積ベースで提供された電気化学物質の量に基づいて、好ましくは、物質の総合密度を測定して、物質の理論容量に基づく容量を計算することによって計算することができる。容量はまた、元素種が電気化学活物質を占めると仮定して、次に、同様の方式で計算すると、電極の標準化面積において重要な元素種（例えば、カソードのＦｅＳ₂からの鉄又はアノードのＬｉ）の量を定量的に判断することによって測定することができる。界面理論Ａ／Ｃ比を計算する別の実験的手段は、引用により本明細書に組み込まれた米国特許第６、８４９、３６０号で見出すことができる。

本明細書に示すように、本発明の様々な実施形態では、界面理論アノード対カソード入力容量比は、ほぼ１未満、望ましくは０．９９未満、及び好ましくは、０．９５未満である。

電流コレクタが、本発明の様々な実施形態において好ましいとして負極で用いられない時に、リードを通じた容器とリチウム含有層の間の接続は、電気的導通がセル放電中に維持すべきである時、特に１次セルにおいて重要であるにも関わらずリチウムは消費される。電気的導通を維持する問題に鑑みて、リチウム箔、すなわち、リチウム又はリチウム含有合金から成り、別々の電流コレクタのない負極を備えたリードの接触面積は、従来技術の実施形態に基づくセル機能を実質的に維持するか又はそれを更に超えながら低下する場合があることが予想外に見出された。本発明の発見により、リードが負極と実質的な長さ方向の又は幅方向の接触を有する必要性は、排除されている。リードに用いる材料はまた、ニッケルメッキ鋼と比べて導電性を維持するか又は改良することができる。

負極リードは、更に別の処理中に又は構成要素が組み立てられたセルに存在する時にその間の分離を阻止するために、リードが十分な面積を有して、リードと負極の間に十分な溶接を形成するために、リチウム又はリチウム合金から成る負極に接続されていれば十分であることが見出されている。負極上のリードの接続位置は、以下に限定されるものではないが、リードは、負極のあらゆる望ましい位置において接続することができることが見出されている。従って、ジェリーロール電極のような構成において、負極リードは、一般的に巻かれた電極アセンブリの内側端に沿った位置から外周に沿った又はこの近くの位置まで、その長さに沿ってどこでも負極に接続することができる。負極リードは、電極の長さ及び幅に対してほぼあらゆる方式で配向することができる。一実施形態では、負極の非界面部分、すなわち、電極のフラッグ部分のようなより高速反応に介入しない負極の一部分に負極リードを溶接することが望ましい。

一実施形態では、負極に別々の電流コレクタがない状態で、負極リードと負極の間の接触は、接触の面積によって特徴付けられる。本明細書で定められているような面積又は接触面積は、負極リードの１つ又はそれよりも多くの２次元領域の幾何学的尺度、すなわち、リチウム又はリチウム合金負極の表面に接触した長さ掛ける幅を意味し、３次元例えば、表面粗度は、考慮されていない。従って、負極リードと負極リチウム又はリチウム合金の間の接続は、特定の形状又は設計を有する負極リードに限定されない。同様に、負極の表面上のリードの位置決めは、重要ではない。更に、負極の面積に対して負極リードの接触の面積は、実質的に無関係であることが見出されている。すなわち、比較的大きな面積、例えば、幅と長さを掛けたものを有する負極は、リチウム又はリチウム合金の導電性のために電極に接触した最小面積を有する負極リードを必ずしも必要としない。本発明の一実施形態では、負極に接触した負極リードの面積は、一般的には約５．０ｍｍ²から約１６０ｍｍ²未満、望ましくは、約８ｍｍ²から約１１１ｍｍ²及び好ましくは、約１０ｍｍ²から約９２．６ｍｍ²に及んでいる。例えば、負極に接触した４．７５ｍｍ（０．１８７インチ）幅、９２．６ｍｍ²の面積を有する負極リードは、Ｌ９１タイプのセルに対してジェリーロール電極アセンブリの一実施形態のリチウム負極幅の約５０％だけ延びるに過ぎないと考えられる。比較してみると、従来技術の負極リードの幅の様々な実施形態は、リチウム幅の約９６％、従って、１６３．９ｍｍ²又は約１７７．６ｍｍ²それぞれの負極に接触した負極リード面積を有するなど８８％又はそれよりも大きいものであった。

別の実施形態では、リードと負極の間の接触は、総表面積接触に関して特徴がある。リード接触の面積は、上述のように計算される。負極の面積は、電極の各表面に対して、例えば、長さと幅を掛けることによって幾何学的に計算される。ストリップ状負極の場合には、電極の各側面の面積が計算されて、互いに加えられ、電極の総累積表面積を求めて、ストリップの厚みは考慮されていない。ＦＲ６タイプの円筒形Ｌｉ／ＦｅＳ₂電気化学セルの一実施形態では、巻かれて他のアセンブリ構成要素を備えたジェリーロール電極アセンブリになる負極ストリップは、電極の両側を占めて、電極ストリップの厚みを除外して２４．３７０ｍｍ²の総表面積を提供する片側上に約３１２．５ｍｍ長及び３８．９９ｍｍ幅を有する。従って、示した負極ストリップに接触した５．０ｍｍ²の面積を有する負極リードは、０．０２０５％のリードと負極の間の総表面積接触を提供して、負極に接触した１６０ｍｍ²の面積を有するリードは、０．６５６％のリードと負極の間の総表面積接触を提供する。

従って、本発明の一実施形態では、リードと負極の間の総表面接触面積は、一般的に負極の累積表面積の０．０２０５％から約０．７０％又は約０．６０％、望ましくは、約０．０３２８％から約０．４６％又は約０．５０％、及び好ましくは、約０．０４１０％から約０．３８％に及んでいる。

一実施形態では、リード３６は、図１５に示すようなリチウム箔負極１８の長さ端部に接続される。好ましくは、リード３６は、ジェリーロール又は螺旋巻電極アセンブリの外側端の近くの負極１８の外側長さ端部に取り付けられるが、他の取り付け位置が可能である。負極１８の外側長さ端部へのリードの取り付けは、リード配置が、負極の他の位置へのリードの取り付けと比べて製造の比較的容易さを可能にするようなものとして望ましい。負極リードは、約２．２ｍｍのような電極長さの外側端からあらゆる距離に置くことができる。勿論、リードは、他の実施形態では負極の代替の区域に接続することができる点は理解すべきである。

図１５に示すような一実施形態では、リードは、負極の幅に沿った所定の距離だけ延び、すなわち、本発明の目的のために、幅は、矩形又は正方形電極の場合に負極長さに対して垂直であり、その幅は、一般的に、電極アセンブリがそこに挿入された後に、好ましくは、巻かれてジェリーロール構成になった後に円筒形セルの縦軸線又は軸線方向に対して実質的に平行である。望ましい導電性を得るために、リードは、一般的に、リードが接続した幅部分に沿って測定された負極幅の約１０％から８８％未満、望ましくは、約１０％から約６０％又は約８０％、及び好ましくは、約１０％から５０％の距離だけ延びている。リードが、８８％又はそれよりも大きい電極の幅に対して測定された接触距離を有する時に、配列は、全く実質的利益を与えないことが見出されており、セルの費用を増大させる可能性がある。電極の幅に対して測定されたリードの接触距離が、約１０％未満である時に、負極リードと負極自体との間で十分な溶接を得ることは困難である場合がある。しかし、リードは、十分な溶接又は接触をリードと負極との間で維持できる限り、負極幅の１０％未満の距離だけ延びることができる。

図１８に見られるような別の実施形態では、負極１８に接続した負極リード３６の部分は、負極リードと容器の間の望ましい接触又はセル容器への挿入後の別の接触を促進するために、自由端を曲げ及び／又は成形リードを形成するような、リードの自由端の更に別の形成中に負極からの分離を阻止するのに役立つように、負極下縁に向けて置かれた溶接リードのより広い部分を有する「Ｔ」字形構造を示している。負極に接触した付加的負極リード部分の例は、平坦なリードストックに溶接することができるスペード形リード端部及びワイヤフィラメントなどを含む。

容器の一部分を接触させるために、リードの第２の自由端は、電極を含むリードの部分から延びている。好ましい実施形態では、リードは、自由端が図１５に示すような箔負極の下端から延びるように負極に接続されるが、他の構成を利用することができる。自由リード端部は、容器への挿入前に及び好ましくはリードを含む負極、正極、及びセパレータが本明細書で上述のように螺旋状に巻かれて電極アセンブリになった後に、必要に応じて操作され、すなわち、位置決めされ、曲げられ、変形されるなどの１つ又はそれよりも多くのようにすることができる。従って、自由リード端部に対して本明細書で説明した信頼できる圧力接触構造のいずれも、負極リードと容器の部分、好ましくは、側壁の間に接触を提供するように利用することができる。

図１６は、成形リード３６の一実施形態を示し、図示のようなリードのほぼ５０％は、リチウム電極に加圧溶接されて、負極の裾幅端部から延びるリードの自由端は、電極に接触した部分からある距離だけそれ自体後方に折り畳まれ、幅末縁部の一部分に延びてこれを覆い、かつ電極の側面に沿って上方に更に延びている。更に、リードは、圧接されて、端子自由リード端部が、セル容器への挿入後に容器側壁と望ましい圧力接触を形成するように電極の軸線方向に対して平行に延びるバネ状部分を形成する。折り畳まれたリード端部は、電極溶接リード部分の一部分を重ね合わせる。好ましい実施形態では、巻かれた電極の外周は、あらゆる露出されたリチウムが電極アセンブリの挿入中に容器に接着するのを阻止し、それによって負極の可能な引き裂きを阻止するのに利用することができるカバー包装及びセパレータの１つ又はそれよりも多くを含む。

カソードは、電流コレクタを含むストリップ及び１つ又はそれよりも多くの電気化学活物質を含む混合物の形態、通常は粒子形態にある。二硫化鉄（ＦｅＳ₂）は、好ましい活物質である。Ｌｉ／ＦｅＳ₂セルでは、活物質は、５０重量パーセントのＦｅＳ₂よりも多くを含む。カソードはまた、望ましいセル電気及び放電特性に応じて１つ又はそれよりも多くの付加的な活物質を含有することができる。付加的活性カソード材料は、あらゆる好ましい活性カソード材料とすることができる。その例は、Ｂｉ₂Ｏ_3、Ｃ₂Ｆ、ＣＦ_X、（ＣＦ）_n、ＣｏＳ_2、ＣｕＯ、ＣｕＳ、ＦｅＳ、ＦｅＣｕＳ_2、ＭｎＯ_2、Ｐｂ₂Ｂｉ₂Ｏ₅、及びＳを含む。より好ましくは、Ｌｉ／ＦｅＳ₂セルカソードのための活物質は、少なくとも９５重量パーセントのＦｅＳ_2、より好ましくは、９９重量パーセントのＦｅＳ₂を含み、最も好ましくは、ＦｅＳ₂は、単独活性カソード材料である。少なくとも９５重量パーセントの純度レベルを有するＦｅＳ₂は、米国マサチューセッツ州のノースグラフトン所在のワシントン・ミルズ、オーストリアのウィーン所在のケメタルＧｍｂＨ、及び米国バージニア州のディリン所在のカイアナイト・マイニング・コーポレーションから入手可能である。

活物質に加えて、カソード混合物は、他の物質を含有する。結合剤は、一般的に、粒子状物質を互いに保持して、混合物を電流コレクタに接着するのに用いられる。金属、グラファイト、及びカーボンブラック粉末のような１つ又はそれよりも多くの導電性材料を加えて、混合物に導電性の改良をもたらすことができる。用いる導電性材料の量は、活物質及び結合剤の導電性、電流コレクタ上の混合物の厚み、及び電流コレクタ設計のような因子に依存する可能性がある。少量の様々な添加剤も、カソード製造及びセル性能を高めるのに用いることができる。以下に示すのは、Ｌｉ／ＦｅＳ₂セルカソードのための活物質混合物材料の例である。グラファイト：米国オハイオ州のウエストレイク所在のチムカル・アメリカからのＫＳ−６及びＴＩＭＲＥＸ（登録商標）ＭＸ１５等級の合成グラファイト。カーボンブラック：米国テキサス州のヒューストン所在のシェブロン・フィリップス・カンパニーＬＰからの等級Ｃ５５のアセチレンブラック。結合剤：米国オハイオ州のアクロン所在の「Ｐｏｌｙｍｏｎｔ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｃｏｒｐ．」（前の「Ｐｏｌｙｓａｒ、Ｉｎｃ．」）によって作られて、ハーウィック・スタンダード・ディストリビューション・コーポレーションから入手可能なエチレン／プロピレンコポリマー（ＰＥＰＰ）、非イオン性水溶性ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）：米国ミシガン州のミッドランド所在のダウ・ケミカル・カンパニーからのＰＯＬＹＯＸ（登録商標）、及び米国テキサス州のヒューストン所在のクレイトン・ポリマーズからのＧ１６５１等級のスチレン−エチレン／ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）ブロックコポリマー。添加剤：米国ニューヨーク州のタリタウン所在のマイクロ・パウダーズ・インコーポレーテッドによって製造された（米国オハイオ州のクリーブランド所在の「Ｄａｒ−Ｔｅｃｈ Ｉｎｃ．」から市販されている）「ＦＬＵＯ ＨＴ（登録商標）」微粉化ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及び米国ニュージャージー州のリッジフィールド所在のデグサ・コーポレーション・ピグメント・グループからのＡＥＲＯＳＩＬ（登録商標）２００等級のヒュームドシリカ。

電流コレクタは、カソード表面内に配置されるか又はこれに埋め込むことができ、又はカソード混合物は、薄い金属ストリップの片側又は両側上に被覆することができる。アルミニウムは、通常用いる材料である。電流コレクタは、カソード混合物を含有するカソードの部分を超えて延びる場合がある。電流コレクタのこの拡張部分は、正端子に接続した電気リードと接触するために有利な区域を設けることができる。電流コレクタの拡張部分の容量を最小に保って、セルのかなりの内部容量を活物質及び電極に利用可能にすることが望ましい。

ＦｅＳ₂カソードを作る好ましい方法は、アルミニウム箔のシートの両側上に高揮発性有機溶剤（例えば、トリクロロエチレン）中の活物質混合物材料のスラリを圧延被覆し、溶剤を除去するようにコーティングを乾燥させ、コーティングを圧縮するように被覆した箔をカレンダー加工し、被覆した箔を望ましい幅に分割して、細長く切ったカソード材料のストリップを望ましい長さに切断することである。小さな粒子サイズを有するカソード材料を用いて、セパレータに穴を開ける危険を最小にすることが望ましい。例えば、ＦｅＳ₂は、好ましくは、使用前に２３０メッシュ（６２μｍ）のふるいを通してふるいにかけられる。

カソードは、セルの正端子に電気的に接続される。これは、多くの場合、電気リードにより、図１に示すような薄い金属ストリップ又はバネの形態で達成することができる。リードは、多くの場合、ニッケルメッキステンレス鋼から作られる。

セパレータは、イオン透過性及び非導電性の薄い微小孔性膜である。セパレータの微孔隙内の少なくとも何らかの電解質を保持することができる。セパレータは、アノード及びカソードの隣接表面間に配置して、互いに電極を電気的に分離する。セパレータの部分はまた、セル端子と電気接触状態で他の構成要素を絶縁して、内部短絡を阻止することができる。セパレータの縁部は、多くの場合、少なくとも１つの電極の縁部を超えて延びて、アノード及びカソードが、これらが完全に互いに整列していない場合でさえも、電気接触しないことを保証する。しかし、電極を超えて延びるセパレータの量を最小にすることが望ましい。

良好な高電力放電性能を提供するために、セパレータは、引用により本明細書に組み込まれる１９９４年３月１日に付与された米国特許第５、２９０、４１４号に開示された特性（少なくとも０．００５μｍの最小寸法及び横幅５μｍｍよりも大きくない最大寸法を有する微孔隙、３０から７０パーセントの範囲の孔隙率、２から１５オーム−ｃｍ²の面積比抵抗、及び２．５未満の捩れ）を有することが望ましい。

好ましいセパレータ材料はまた、セル製造工程及び結果として内部短絡をもたらす場合がある引き裂き、裂け目、孔、又は他の間隙構成なしにセル放電中にセパレータに働く場合がある圧力に耐えられるほど十分強い必要がある。セル中の全セパレータ容量を最小にするために、セパレータは、できるだけ薄く、好ましくは、２５μｍ未満の厚み、より好ましくは、２０μｍ又は１６μｍのような２２μｍよりも厚くない厚みにすべきである。高引張応力は、好ましくは、少なくとも８００、より好ましくは、少なくとも１０００平方センチメートル当たりキログラムフォース（ｋｇｆ／ｃｍ²）が望ましい。ＦＲ６タイプのセルに対して、好ましい引張応力は、機械方向で少なくとも１５００ｋｇｆ／ｃｍ²及び横方向で少なくとも１２００ｋｇｆ／ｃｍ²であり、ＦＲ０３タイプのセルに対して、機械方向及び横方向の好ましい引張強度は、それぞれ１３００及び１０００ｋｇｆ／ｃｍ²である。好ましくは、平均絶縁破壊電圧は、少なくとも２０００ボルト、より好ましくは、少なくとも２２００ボルト、及び最も好ましくは、少なくとも２４００ボルトになる。好ましい最大の有効な微孔隙サイズは、０．０８μｍから０．４０μｍ、より好ましくは、０．２０μｍよりも大きくない。好ましくは、ＢＥＴ比表面積は、４０ｍ²／ｇよりも大きくなく、より好ましくは、少なくとも１５ｍ²／ｇ、及び最も好ましくは、少なくとも２５ｍ²／ｇになる。好ましくは、面積比抵抗は、４．３オーム−ｃｍ²よりも大きくなく、より好ましくは、４．０オーム−ｃｍ²よりも大きくなく、最も好ましくは、３．５オーム−ｃｍ²よりも大きくない。これらの特性は、本明細書において引用により組み込まれている２００３年１１月２１日出願の米国特許出願第１０／７１９、４２５号により詳細に説明されている。

リチウムバッテリに用いるためのセパレータ膜は、多くの場合、ポリプロピレン、ポリエチレン、又は超高分子量のポリエチレンで作られ、ポリエチレンが好ましい。セパレータは、二軸に配向された微小孔性膜の単層とすることができ、又は２つ又はそれよりも多くの層は、互いに積層化して、直角方向に望ましい引張強度を提供することができる。単層は、費用を最小にするのに好ましい。好ましい単層の二軸に配向されたポリエチレン微小孔性セパレータは、東燃化学株式会社から入手可能であり、米国ニューヨーク州のマケドニア所在のエクソン・モービル・ケミカル・コーポレーションから入手可能である。「Ｓｅｔｅｌａ Ｆ２０ＤＨＩ」等級のセパレータは、２０μｍの公称厚みを有して、「Ｓｅｔｅｌａ １６ＭＭＳ」等級は、１６μｍの公称厚みを有する。

アノード、カソード、及びセパレータストリップは、電極アセンブリ内で互いに結合される。電極アセンブリは、カソード、セパレータ、アノード、及び心棒の周りのセパレータの交互ストリップを巻くことによって作られた図１に示すような螺旋状に巻かれた設計とすることができ、これは、巻きが完了した時に電極アセンブリから取り出される。セパレータの少なくとも１つの層及び／又は電気絶縁フィルム（例えば、ポリプロピレン）の少なくとも１つの層は、一般的に電極アセンブリの外側に包み込まれる。これは、いくつかの目的に役立ち、それは、アセンブリを互いに保持するのに役立ち、アセンブリの幅又は直径を望ましい寸法に調整するのに用いることができる。セパレータの最外側端又は他の外側フィルム層は、接着テープ片で又はヒートシールによって押下することができる。アノードは、図１に示すような最外電極とすることができ、又はカソードを最外電極とすることができる。いずれの電極も、セル容器と電気接触状態にすることができるが、最外電極と容器側壁の間の内部短絡は、最外電極が缶と電気接触することが意図されるのと同じ電極である時に回避することができる。

本発明の１つ又はそれよりも多くの実施形態では、電極アセンブリは、負極の電気化学活物質の機能の改善及びより効率的な利用ためにその上に選択的に配置された電気化学活物質を有する正極で形成される。正極上の電気化学活物質の選択的に配置された構成及び正の容器を含む別の電気化学セルの非限定的な例は、両方とも引用により完全に本明細書に組み込まれる２００６年７月２６日出願の米国特許出願出願番号第１０／４９３、３１４号、及び上述の出願番号の一部継続出願である２００６年１０月１７に出願の米国特許出願出願番号第１１／５８１、９９２号に記載されている。

一実施形態では、１次電気化学セルは、巻かれて２つの電極間に配置されたセパレータを備えたジェリーロール構成になった非挿入の負のリチウム電極及び二硫化鉄正極を含む。ジェリーロールは、非水有機電解質と共に円筒形ハウジングに配置される。注意すべき点は、二硫化鉄は、基板上にではあるが、基板の一方の軸線方向縁部からその対向する軸線方向縁部に向けて延びるキャリアの一方側上に部分的に被覆されていない部分を残す方式で被覆される。被覆されていない部分は、ジェリーロールが作り出される時に、ジェリーロール／セル容器の高さに沿って縦軸線に追従する。第２の部分的に被覆されていない部分は、好ましくは、第２の縦軸線を形成するために基板の反対側上に設けることができる。これらの縦軸線は、重ね合わせることができ（すなわち、互いに直接隣接して、しかし、基板の両側上に）、又は互いにオフセットすることができる。被覆されていない部分は、次に、ジェリーロールの外周及び／又は最内コア上に整列することができ、被覆されていない部分に隣接したリチウムを配置する必要性を排除し、必要なリチウムの量を低減して、一般的に、セルの構造のコスト低減を可能にする。

別の実施形態では、電極アセンブリは、リチウムの負極及び箔キャリア上に被覆された電気化学活物質を有する正極を含む。ここでもまた、電極は、セパレータで螺旋状に巻かれてジェリーロールになって、非水電解質と共に円筒形容器に配置される。この場合には、導電性キャリアは、好ましくは、ジェリーロールの上端において配向された両側上に被覆することなく箔の一方の端部部分から他方まで作動させる長さ方向区画を有する。上述のように、少なくとも１つの被覆されていない部分は、箔キャリアの幅に延びる。ジェリーロールが巻かれる時に、ジェリーロールの最外周上に被覆されていない部分を配向することが好ましい。複数の被覆されていない部分が設けられる場合、第１及び第２の被覆されていない部分は、部分的に又は完全に重なり合う場合がある（すなわち、互いに隣接して、しかし、箔キャリアの両側上に）。しかし、第３の被覆されていない部分がコーティング部分によって設けられる場合（すなわち、被覆されていない長さ方向区画を除く）、第１及び第３の区画は、これらの間に置かれたコーティング部分を有するべきである。

パターン化正極に関する様々なコーティングパターン及び付加的な教示は、組み込まれた参考文献に記載されている。

電極アセンブリは、螺旋状に巻かれているのではなく、電極及びセパレータストリップを互いに折り畳むことによって形成することができる。ストリップは、これらの長さに沿って整列し、次に、蛇腹様式で折り畳むことができ、又はアノード及び１つの電極ストリップは、カソード及び別の電極ストリップ、並びに交互に一方から他方に交差して折り畳まれた電極に対して垂直に置く（直角に配向する）ことができ、いずれの場合も、交互アノード及びカソード層の積層体を形成する。

電極アセンブリは、ハウジング容器に挿入される。螺旋状に巻かれた電極アセンブリの場合には、円筒形か又はプリズム状容器かを問わず、電極の主な表面は、容器側壁に対して垂直である（言い換えると、電極アセンブリの中心コアは、セルの縦軸線に対して平行である）。折り畳まれた電極アセンブリは、典型的にはプリズム状セルに用いられる。蛇腹式折り畳み電極アセンブリの場合には、アセンブリは、電極層の積層体の両端における平坦な電極表面が容器の両側に隣接しているように配向される。これらの構成では、アノードの主な表面の総面積の大部分は、セパレータを通してカソードの主な表面の総面積の大部分に隣接しており、電極の主な表面の最外部分は、容器側壁に隣接している。このようにして、アノード及びカソードの結合厚みの増大による電極アセンブリの膨張は、容器側壁によって制約される。

不純物としてごく少量（例えば、用いられている電解質塩に応じて重量で約５００ｐｐｍよりも多くない）の水のみを含有する非水電解質が、本発明のバッテリセルに用いられる。リチウム及び活性カソード材料で用いるのに好ましいあらゆる非水電解質を用いることができる。電解質は、有機溶剤中に溶解された１つ又はそれよりも多くの電解質塩を含有する。Ｌｉ／ＦｅＳ₂セルに対して、好ましい塩の例は、臭化リチウム、過塩素酸リチウム、六フッ化燐酸リチウム、六フッ化燐酸カリウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、及びヨウ化リチウムを含み、好ましい有機溶剤は、以下の炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸メチルエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸１、２−ブチレン、炭酸２、３−ブチレン、ギ酸メチル、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトアニリド、３、５−ジメチルイソキサゾール、ｎ、ｎ−ジメチルホルムアミド、及びエーテルのうちの１つ又はそれよりも多くを含む。塩／溶剤の組合せは、十分な電解質及び導電性を提供し、望ましい温度範囲にわたってセル放電要件を満たすことになる。エーテルは、多くの場合、これらのほぼ低粘性、良好な湿潤機能、良好な低温放電性能、及び良好な高速放電性能に望ましい。これは、エーテルが、ＭｎＯ₂カソードよりも安定であるためにより高いエーテルレベルを用いることができるので、Ｌｉ／ＦｅＳ₂セルにおいて特に当て嵌まる。好ましいエーテルは、以下に限定されるものではないが、１、２−ジメチルオキシエタン、１、２−ジエトキシエタン、ジ（メトキシエチル）エーテル、トリグリム、テトラグリム及びジエチルエーテルのような非環式エーテル、並びに１、３−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン及び３−メチル−２−オキサゾリジノンのような環状エーテルを含む。

固有のアノード、カソード、並びに電解質の組成及び量を調整して、上述の米国特許出願第１０／７１９、４２５号に開示するような望ましいセル製造、性能、及び貯蔵特性を提供することができる。

セルは、あらゆる好ましい工程を用いて閉鎖されて、密封することができる。そのような工程は、以下に限定されるものではないが、圧接、再打ち抜き、収集、及びこれらの組合せを含むことができる。例えば、図１のセルに対して、ビードは、電極及び絶縁錐体が挿入された後に缶内に形成されて、ガスケット及びカバーアセンブリ（セルカバー、接触バネ、及び通気ブッシングを含む）が、缶の開放端に配置される。セルは、ビードで支持され、一方、ガスケット及びカバーアセンブリは、ビードに対して押し下げられる。ビードの上の缶の上部の直径は、セグメント化コレクトで縮小されて、セルの所定位置にガスケット及びカバーアセンブリを保持する。電解質が、通気ブッシング及びカバーの開口を通ってセルに入れられた後に、通気ボールは、ブッシングに挿入されて、セルカバーの開口を密封する。ＰＴＣデバイス及び端子カバーは、セルカバーにわたってセル上に配置されて、缶の上縁は、圧接ダイで内向きに曲げられて、ガスケット、カバーアセンブリ、ＰＴＣデバイス、及び端子カバーを保持し、かつガスケットによって缶の開放端の密封を完了する。

上記説明は、特に、スイスのジュネーブの国際電気標準会議によって公開された国際標準「ＩＥＣ ６００８６−１」及び「ＩＥＣ−６００８６−２」に定められているように、ＦＲ６及びＦＲ０３タイプのような円筒形Ｌｉ／ＦｅＳ₂セルに関する。しかし、本発明はまた、他のセルサイズ及び形状に、並びに他の電極アセンブリ、ハウジング、シール、及び圧力緩和通気設計を有するセルに適合させることができる。本発明を用いることができる他のセルタイプは、リチウム／二酸化マンガン及びリチウムイオンセルのような１次及び再充電可能非水セルを含む。電極アセンブリ構成はまた、異なる場合がある。例えば、それは、上述のような螺旋状に巻かれた電極、折り畳まれた電極、又はストリップ（例えば、平板）の積層体を有することができる。セル形状はまた、例えば、円筒形及びプリズム状形状を含むように異なる場合がある。

本発明の特徴及びその利点は、以下の実施例に更に示されている。

コンピュータモデリングを用いて、図１に示すものと類似の電極アセンブリを備えたＦＲ６及びＦＲ０３セルで用いるのに好ましいいくつかの負極リード設計を評価した。モデルを用いて、図１及び２の負極リードと類似のリードの終端によってもたらすことができるバネ力を求めた。求めたバネ力は、缶の側壁の内面に対してリードの終端部分によってもたらされる力の量に近似すべきである。

モデルは、リードのための０．０５１ｍｍ（０．００２インチ）厚のニッケルメッキ冷延鋼ストリップに対して以下の材料特性、ヤング率＝２．０７ｘ１０⁸Ｐａ（３．００ｘ１０⁷ｌｂ．／ｉｎ²）、ポアソン比＝０．２８５、及び初期降伏強度＝２５１、０００Ｐａ（３６、４００ｌｂ．／ｉｎ²）を用いた。

リードの終端部分（缶への電極アセンブリの挿入前の電極アセンブリの底部の周りの曲げ部の上の電極アセンブリの外部側面に隣接した部分）に対して、３つの異なる形状、すなわち、平坦、Ｖ字形（図４Ａ）、及び円弧形（図４Ｂ）を評価し、Ｖ字形及び円弧形リードの溝は、溝が缶への電極アセンブリの挿入後にセルの縦軸線に対して平行に配置されるように、ストリップの終端部分の中心に沿って長さ方向に位置した。

モデルでは、電極アセンブリの外径の断面及びリードの終端部分は、初期リード形状及び寸法を用いて缶の内径の断面の上に載せられた。１２．９０ｍｍ（０．５０８インチ）の電極アセンブリの直径、１３．４４ｍｍ（０．５２９インチ）の缶の内径、及び４．７５ｍｍ（０．１８７インチ）のリードストリップの幅が、ＦＲ６セルの評価に用いられ、９．２５ｍｍ（０．３６４インチ）の電極アセンブリの直径、９．７０ｍｍ（０．３８２インチ）の缶の内径及び３．１８ｍｍ（０．１２５インチ）のリードストリップの幅が、ＦＲ０３セルの評価に用いられた。各セルサイズに対して、缶に対して電極アセンブリ及びリードの開始位置は、図６Ｂ（正確な縮尺になっていない）に示すようにいずれの場合にも同じであり、９０度の脚角度を有するＶ字形に最初に形成されたリードに基づいて確立された。リードの縁部６０は、缶１２に接触して配置されて、電極アセンブリは、ポイント６２でＶのベースに接触して配置された。評価された他の場合の各々に対する開始位置において、リードの縁部６０は、缶１２に接触して配置されて、リードの中心を通って缶１２までの電極アセンブリ上のポイント６２間の距離６４は、ＦＲ６セルに対して１．８８ｍｍ（０．０７４インチ）及びＦＲ０３セルに対して１．２４ｍｍ（０．０４９インチ）であった。図６Ａ及び６Ｃは、図６ＢのＶ字形リードと同じ材料から作られた平坦な及び円弧形のリードそれぞれを備えたＦＲ６セルに対する開始位置を示している。距離６４は、一定に保持されたので、図６Ａ及び６Ｃのリードと電極アセンブリの間に間隙がある。そのモデルでは、電極アセンブリの位置は、右に移動し（図６Ａ−６Ｃ）、距離６４を縮小して、缶に対するリードのバネ力は、ポイント６２の右への変位の関数として判断された。ポイント６２とリードの間に間隙があった場合には、電極が十分に変位し、リードと接触してこれを押し始めるまでバネ力はなかった。

モデリングの結果は、図７から１４に示され、これらは、開始位置からの電極アセンブリの変位の関数（ｍｍ）として缶に対するリードのバネ力（リードの成形部分の長さのｇ／ｃｍ）を示し、表１は、図面の各々で表されたセルタイプ及びリード形状を要約する。

（表１）

図７−１４のグラフは、電極アセンブリが右へ変位した時のバネ力の変化を示している。１２．９０ｍｍの直径の電極アセンブリを備えたＦＲ６セル及び９．２５ｍｍの電極アセンブリを備えたＦＲ０３セルのための缶の内側左面に対して、電極アセンブリの左側（反対ポイント６２）を配置する開始位置（図６Ａ−６Ｃ）からの変位の量は、線Ｅで示している。これは、電極アセンブリができるだけ左にある時の缶への挿入後の電極アセンブリの位置に対応する。より小さな又はより大きな直径を有する電極アセンブリに対して、線Ｅは、左又は右へそれぞれシフトされると考えられる。ポイント６２を缶の内側右面にもたれるように配置する変位の量は、線Ｆで示している。開始位置（図８から１３）においてリードと電極アセンブリの間に間隙がないこれらの場合には、バネ力は、電極アセンブリの右への変位及びリードの対応する圧縮（初期リード形状の変形）と共に直ちに増加し始める。他の場合には、バネ力は、残っている間隙がなくなるまでゼロを上回り始めることはない。ポイントＡ１、Ｂ１、Ｃ１、及びＤ１は、ＦＲ６セルに対して０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）、及びＦＲ０３セルに対して０．１０２ｍｍ（０．００４インチ）の区分的変位のためのバネ力を示している。ポイントＡ２、Ｂ２、Ｃ２、及びＤ２は、最初に、ポイントＡ１、Ｂ１、Ｃ１、及びＤ１それぞれに対して右に変位した後に、左に（ＦＲ６セルに対して０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）及びＦＲ０３セルに対して０．１０２ｍｍ（０．００４インチ）変位して戻る場合のバネ力の変化を示している。これは、缶への電極アセンブリの挿入中に、例えば、リードが過圧縮されて（電極アセンブリが缶の内径の範囲内で嵌合するのに必要な最低よりも多く変形されて）、缶に対して跳ね返ることを可能にする場合に起こると考えられることに対応する。バネ力は、リードの一部で超過しているリードの降伏強度により、リードの部分的な恒久的変形のためにより低い。一般的には、電極アセンブリの変位の所定の量に対して、Ｖ字形及び円弧形リードは、平坦なリードよりも大きなバネ力をもたらす。

図７（平坦なリードを備えたＦＲ６セル）では、バネ力は、開始ポイントにおいて、及び電極アセンブリが１．４２ｍｍ（０．０５６インチ）よりも多く右に変位するまでゼロである。バネ力は、電極アセンブリが線Ｅを超えて変位するまでゼロを上回らないので、１２．９０ｍｍ又はそれよりも短い電極アセンブリの直径に対してリードと缶の間にバネ力はない。言い換えると、１２．９０ｍｍの電極アセンブリの直径により、リードと缶の間にバネ力はない。１２．９８ｍｍ（０．５１１インチ）よりも大きな電極アセンブリの直径に対応する０．７６ｍｍ（０．００３インチ）の付加的変位が必要である。

図８（９０度のＶ字形リードを備えたＦＲ６セル）では、バネ力は、右への電極アセンブリの変位が始まると上昇し始める。電極アセンブリが、電極アセンブリの左側が缶の内側左面と同等であるのに十分な程度に変位する時に、バネ力は、１６７ｇ／ｃｍである（線Ｅとのグラフの交差位置に対応する）。これは、１２．９０の電極アセンブリの直径を有するセルでは、リードが過度に過圧縮されない限り、リードと缶の間にバネ力があることになることを意味する。過度の過圧縮は、リード材料の降伏強度が超過して、バネ力がごく少量の跳ね返り後にゼロまで低下するまで、変形したリードと缶の間に接触の複数のポイントがあって、バネ力が迅速に上昇する（グラフから外れている）ところまで、ポイントＣ１よりも大きい変位によって起こる場合がある。図８は、約１１．５５ｍｍの小さな電極アセンブリの直径（図７に示す最小電極の直径よりも１．３５ｍｍ小さい）が、１３．４４ｍｍの缶の内径を有するセル及びこの評価で用いるリードで用いることができることを示している。

図９（１．７８ｍｍの半径の円弧形リードを備えたＦＲ６セル）では、モデルの開始ポイントにおいて電極アセンブリとリードの間に小さな間隙があるが、バネ力は、缶の内側左面に対して位置決めされた１２．９０ｍｍの直径の電極アセンブリに対応する変位でゼロを超えている。線Ｅは、１．０７ｍｍ（０．０４２インチ）も左にシフトしている場合があって、ゼロよりも大きなバネ力を依然として有するので、より小さな直径の電極アセンブリ（１１．８３ｍｍよりも大きい）をこのリードで用いることができる。

図１０のグラフは、図９のものと類似している。ポイントＡ１、Ｂ１、Ｃ１、及びＤ１は、一般的に図９の対応するポイントよりも高いので、バネ力は、缶への電極アセンブリの挿入中にリードの過圧縮がない場合、１．９１ｍｍ対１．７８ｍｍの円弧半径によってより高くすべきである。このリード設計で用いることができる最小電極アセンブリは、図９から求めたものよりも僅かに大きいだけである。

図１１のグラフは、図９及び１０のものと類似である。比較は、２．２９ｍｍの円弧半径が、結果としてポイントＢ１（ポイントＤ１は、図１１に示す最大バネ力を超えている）を超える変位のためのより高いバネ力をもたらすが、過圧縮から生じるバネ力の幾分多い損失があって、用いることができる最小電極アセンブリの直径は、１．９１ｍｍ及び１．７８ｍｍの円弧半径を有するリードのためのものよりも僅かに大きいことを示している。

図１２、１３、及び１４のＦＲ０３セルに対して示す傾向は、図７−１１に示すものと類似である。Ｖ字形リードの過度の圧縮は、結果としてリードの疲労及びバネ力の損失をもたらす場合がある。図１２に表した平坦な電極リードで用いることができる最小電極の直径は、約９．４０ｍｍ（０．３７０インチ）であり、図１４に表した１．４０ｍｍの半径の円弧形リードを備えた最小のものは、約８．６４ｍｍ（０．３４０インチ）であり、図１３に表した９０度のＶ字形リードを備えた最小のものは、約８．４６ｍｍ（０．３３３インチ）である。

図１及び２のセル１０に類似した１０ロットのＦＲ６セルが、セルの特性及び性能を評価するために作られた。ロット１及び２の各セルは、電極アセンブリの周囲に包み込まれたポリエチレンフィルムの０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）厚のストリップを有した。平均電極アセンブリの外径（ポリエチレンフィルムのストリップを含む）は、１３．０６ｍｍ（０．５１４インチ）であった。ロット３−１０の各セルは、ポリエチレンフィルムの外側包装を持たずに、電極アセンブリの平均外径は、１２．９５ｍｍ（０．５１０インチ）であった。全てのロットにおいて、缶の平均内径は、１３．４１ｍｍ（０．５２８インチ）であった。全てのロットにおいて、負極リードは、５５．９ｍｍ（２．２０インチ）の長さに切断された導電性金属の４．７５ｍｍ（０．１８７インチ）幅の薄いストリップから作られた。リードの一方の端部部分は、リードの終端部分が組み立てられた電極アセンブリの底端部から突出するように、その外側端の近くのリチウム負極に取り付けられ、そこで、それは外向きに、次に上方に曲げられたので、リードの終端部分は、図２に示すように縦軸線に対して平行であり、電極アセンブリの外部側面に隣接していた。

負極リードは、表２に示すようにロットの各々で異なる。非平面リードは、終端が電極アセンブリの側面に沿って湾曲した時に、電極アセンブリの縦軸線に対して平行である単一Ｖ字形又は円弧形溝のいずれかを有した。表２に示すＶ脚角度、円弧長、及び円弧半径は、形状を作るのに用いたツーリングの寸法であり、実際の形成されたリードに何らかの偏差及び変動があった。溝は、Ｖ字形又は円弧形区画から平面区画まで遷移ゾーンを有するリードの終端から延びるほぼ１２．７ｍｍ（０．５０インチ）長であった。

各ロットからのサンプルセルは、６０℃で６０日間貯蔵前後に開回路電圧、ＡＣインピーダンス、及びアンペア数に対して試験された。各ロットからのサンプルセルはまた、様々な放電、物理的乱用、及び電気的乱用試験に対して試験された。ロットの中で予想した変動を超えた実質的な差はなかった。

（表２）

図１及び２に示すセル１０に類似した８ロットのＦＲ６セルが、セルの平均使用寿命を判断するために構成された。各ロットのセルは、０．９２の界面理論Ａ／Ｃ入力容量比を有した。

対照ロット１及びロット１１−１４の各々は、以下に説明するように負極リードを除いて同一であった。負極は、約０．５重量パーセントのアルミニウム含有量を有するリチウム合金箔から成っていた。対照ロット１のセルは、リチウム合金の幅の９６％に溶接されたニッケルメッキ冷延鋼負極リードを含み、５５．８０ｍｍ（２、２００インチ）の全長を有した。ロット１１のセルは、リチウム箔の幅の５０％に直接接続したアノードリード及び３７．９７ｍｍ（１．４９５インチ）の全長を有した。ロット１２のセルは、リチウム箔の幅の２５％だけ延びたニッケルメッキ冷延鋼負極リード及び２８．２２ｍｍ（１．１１１インチ）の全長を有した。ロット１３のセルは、リチウム箔の幅の９６％だけ延びた長さを有する銅合金７０２５負極リード及び５５．８０ｍｍ（２．２００インチ）の全長を有した。ロット１４のセルは、リチウム箔の幅の５０％だけ延びた銅合金７０２５負極リード及び３７．９７ｍｍ（１．４９５インチ）の全長を有した。

対照ロット２、並びにロット１５及び１６のセルは、以下のように負極リードを除いて同一であった。対照ロット２、並びにロット１５及び１６のセルは、約０．５重量パーセントのアルミニウム含有量を有するリチウム合金箔から成る負極を含むように形成された。正極は、正極電流コレクタの両側に選択的に配置された電気化学活物質混合物を有するパターン化電極として形成された。対照ロット２のセルは、リチウム箔の幅の９６％に溶接されたニッケルメッキ冷延鋼負極リードを含み、５５．８０ｍｍ（２．２０インチ）の全長を有した。ロット１５のセルは、リチウム箔の幅の５０％だけ延びたニッケルメッキ冷延鋼負極リードを含み、３７．９７ｍｍ（１．４９５インチ）の全長を有した。ロット１６のセルは、リチウム箔の幅の１６％だけ延びた銅合金７０２５負極リードを利用して、２５．３２ｍｍ（０．９９７インチ）の全長を有した。

リチウム箔負極に接触した負極リードの表面積は、リチウムの９６％だけ延びたリードを有するセルに対して１７７．６ｍｍ^2、リチウム幅の５０％だけ延びたセルに対して９２．６ｍｍ^2、リチウム幅の２５％だけ延びたセルに対して４６．３ｍｍ^2、及びリチウム幅の１６％だけ延びたセルに対して２９．６ｍｍ²であった。

各ロットの負極リードは、加圧接合法によって負のリチウム箔に軽い接触を通じて加圧溶接された。全てのロットにおいて、負極リードは、リードの終端が、組み立てられたジェリーロール電極アセンブリの底端部から突出するように、その外側の長さ端部の近く及び長さ端部から２．２ｍｍにリチウム箔負極に取り付けられ、そこで、それは外向きに、次に上方に曲げられたので、リードの終端部分は、実質的に縦軸線に対して平行であり、電極アセンブリの外部側面に隣接していた。巻かれた電極アセンブリの外周は、セルセパレータによって覆われた。リチウム負極に接続されていないリードの１つ又はそれよりも多くの部分は、セルの容器と圧力接触状態にあった。

示したロットに対する対照及び例示的なセルは、表３及び４に記載された試験による使用寿命に対して試験された。表に掲載した結果は、補正入力変動性を表している。連続試験のために、セルは、示した電圧カットオフに与えられた比率で連続的に放電された。ＤＳＣ試験は、「高速」試験と見なされ、デバイス、例えば、デジタルカメラにおけるような高速使用ためのセル性能を示している。ＤＳＣ試験は、２秒間１５００ｍＷで第１のパルス、その後２８秒間に６５０ｍＷで第２のパルスの２つのパルスを利用して電気化学セルを循環させる。パルスシーケンスは、１０回繰り返されて、５５分間静止期間が続く。その後、パルスシーケンス及び静止期間は、本明細書で実施された試験に対して所定のカットオフ電圧１．０５ボルトまで繰り返される。

（表３）

（表４）

表３及び４に示すように、別々の電流コレクタのないリチウム含有負極の幅の９６％未満に接続した負極リードは、従来技術の対照セルのロットと比べてセル機能に殆ど影響を与えないことが予想外に見出された。結果の差は、製造中に起こる場合がある僅かな変動及びセルに利用された天然物質の変動によるものと考えられる。予想外にも、負極のリチウムは、短縮された負極リードを利用する時に隔離され過ぎることはなかった。更に、結果は、短縮された負極リードが、実質的にセル使用寿命に影響を及ぼすことなくセル構成の異なるタイプで利用することができることを示している。

開示した概念の精神から逸脱することなく様々な修正及び改良を本発明に対して行うことができることは、本発明を実施する者及び当業者によって理解されるであろう。与えられる保護の範囲は、特許請求の範囲により及び法律により許される解釈の範囲によって判断されるものとする。

１８ 負極
３６ 負極リード

Claims (20)

1. 閉鎖端、端部アセンブリによって密封された開放端、及び該閉鎖端と該開放端の間に延びる側壁を有する実質的に円筒形の導電容器と、
   二硫化鉄を含む正極と、
   少なくとも９０重量パーセントのリチウムを有する基本的にリチウム又はリチウム合金から成り、かつ累積表面積を有する長さ及び幅を有する負極と、
   セパレータと、
   非水有機電解質と、
   前記容器に位置し、かつ前記負極と電気接触して該負極の前記累積表面積の０．７％未満に接続した表面積を有する内部リードと、
   を含み、
   前記正極、前記負極、及び前記セパレータは、前記内部リードが前記容器又は前記端部アセンブリと電気接触するように、巻かれてジェリーロール電極アセンブリになり、セルに対する理論界面アノード対カソード入力容量比が、１．０未満である、
   ことを特徴とする電気化学セル。
2. 前記負極に接触した前記リード表面積は、０．５％未満であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
3. 前記リードは、１５ｍΩ／ｃｍ長さ未満の抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
4. 前記リードは、ニッケルメッキ冷延鋼、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、又はステンレス鋼であることを特徴とする請求項３に記載の電気化学セル。
5. 前記リードは、前記負極の前記表面に接触した５．０ｍｍ²から１６０ｍｍ²の面積を有することを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
6. 前記負極に接触した前記リード表面積は、０．０２％から０．５％の間であり、
   前記理論界面アノード対カソード入力容量比は、０．９５未満である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
7. 前記容器の前記側壁と前記負極又は前記正極接点のいずれとの間にも直接電気接触がないことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
8. 前記リードは、前記負極の底部部分に接続され、前記電極アセンブリの外側巻回の底端部の周りに延び、かつ前記容器の前記側壁又は底壁と圧力接触することを特徴とする請求項７に記載の電気化学セル。
9. 前記負極に接触した前記表面積は、０．０２％から０．５％の間であることを特徴とする請求項７に記載の電気化学セル。
10. 閉鎖端、端部アセンブリによって密封された開放端、及び該閉鎖端と該開放端の間に延びる側壁を有する実質的に円筒形の導電容器と、
    長さ及び幅を有して基本的にリチウム又はリチウム合金の１つ又はそれよりも多くの層から成り、かつ別々の電流コレクタのない負極、正極、有機非水電解質、及び該負極と正極の間に配置されたセパレータを含み、前記容器内に配置された螺旋巻電極アセンブリと、
    前記容器に位置し、かつ前記負極を該容器に電気的に接続する内部リードと、
    を含み、
    前記リードの一方の端部部分が、前記リチウム又はリチウム合金の１つ又はそれよりも多くの層に直接接続され、
    前記リードは、接続の位置でセルの縦軸と平行に測定された前記リチウム又はリチウム合金層の前記幅の１０％から８８％未満である前記負極の一方の幅端部から測定された距離を延びる、
    ことを特徴とする電気化学セル。
11. 前記リードは、前記リチウム又はリチウム合金層の前記幅の１０％から６０％である前記負極の一方の幅端部から測定された距離を延び、
    セルに対する理論界面アノード対カソード入力容量比が、１．０未満である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気化学セル。
12. 前記リードは、前記リチウム又はリチウム合金層の前記幅の１０％から５０％である前記負極の一方の幅端部から測定された距離を延び、
    前記リードは、１５ｍΩ／ｃｍ長さ未満の抵抗を有する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の電気化学セル。
13. 前記リードは、前記負極の表面に接触した５．０ｍｍ²から１６０ｍｍ²の面積を有することを特徴とする請求項１１に記載の電気化学セル。
14. 前記リードは、前記負極の底部部分に接続され、前記電極アセンブリの外側巻回の底端部の周りに延び、かつ前記容器の前記側壁又は底壁と圧力接触することを特徴とする請求項１３に記載の電気化学セル。
15. 前記リードは、前記負極の前記表面に接触した１０．０ｍｍ²から９２．６ｍｍ²の面積を有し、
    前記理論界面アノード対カソード入力容量比は、０．９５未満である、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の電気化学セル。
16. 前記リードは、５ｍΩ／ｃｍ長さ未満の抵抗を有し、
    前記リードは、ニッケルメッキ冷延鋼、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、又はステンレス鋼である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電気化学セル。
17. 前記セパレータ又はカバー包装又はその組合せが、前記容器側壁との直接の負極又は正極接触がないように前記電極アセンブリの外面上に存在することを特徴とする請求項１６に記載の電気化学セル。
18. 閉鎖端、端部アセンブリによって密封された開放端、及び該閉鎖端と該開放端の間に延びる側壁を有する実質的に円筒形の導電容器と、
    累積表面積を作り出す長さ及び幅を有する基本的にリチウム又はリチウム合金から成る負極ストリップ、正極ストリップ、有機非水電解質、及び該負極ストリップと正極ストリップの間に配置されたセパレータを有し、前記容器内に配置された螺旋巻電極アセンブリと、
    前記容器に位置して前記負極を該容器に電気的に接続し、一方の端部部分が前記リチウム又はリチウム合金に接続された内部リードと、
    を含み、
    前記容器の前記側壁と前記負極又は前記正極のいずれとの間にも直接の電気接触がなく、
    前記リードは、前記負極の底部部分に沿って接続され、前記電極アセンブリの外側に延びて前記容器の前記側壁又は底壁と圧力接触し、
    前記リードは、前記負極の前記累積表面積の０．７％未満に接続した表面積を有し、かつセルの縦軸と平行に測定された該負極の前記幅の１０％から８８％未満である該負極の一方の幅端部から測定された距離を延びる、
    ことを特徴とする電気化学セル。
19. 前記表面積は、前記累積表面積の０．０２％から０．５％に接続され、
    理論界面アノード対カソード入力容量比が、０．９５未満である、
    ことを特徴とする請求項１８に記載の電気化学セル。
20. 前記リードは、前記負極の前記表面に接触した５．０ｍｍ²から１６０ｍｍ²未満までの面積を有し、
    前記リードは、前記容器と非溶接で電気接触する、
    ことを特徴とする請求項１９に記載の電気化学セル。

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