JP2011523179A - 充電式電池の集電体タブ構成及び箔厚のためのシステム及び方法 - Google Patents

充電式電池の集電体タブ構成及び箔厚のためのシステム及び方法 Download PDF

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チャン，オン
グアントウス，ダニア
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Abstract

【課題】結果として得られる電池が高性能を示すことができるようにする。
【解決手段】電池は、負極集電箔及び正極集電箔を含み、その各々が高さ（ｈ）で形成される、一対の集電箔と、前記一対の集電箔うちの一方の集電箔に電気的に接続された複数のタブ及び前記一対の集電箔のうちの他方の集電箔に電気的に接続された複数のタブと、含み、前記複数のタブが、長さ（ｔ）で形成され、かつ前記一対の集電箔から突出する。また、前記タブの前記長さ（ｔ）は前記一対の集電箔の前記高さ（ｈ）より大きくする。前記負極集電箔は銅によって形成されてもよく、前記正極集電箔はアルミニウムによって形成されてもよい。
【選択図】図２

Description

相互参照
[0001] 本願は、２００８年６月４日に出願した「Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ Ｔａｂ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ Ａｎｄ Ｆｏｉｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ」と題した米国出願第１２／１３３，１９５号の優先権を主張し、その全体を本願に参考として組み込む。
[0002] 本発明は、少なくとも１つの正極及び１つの負極を含む充電式ガルバニセル（以下、セル又は電池と呼ぶ）に関する。より詳細には、本発明は、結果として得られる電池が高性能を示すことができるように、電池電極からより多くの容量を取り出す集電体タブの構成及び各集電箔(collector foil)の厚さに関する。
[0003] 充電式リチウム電池の電池性能は、使用される電極の特性に依存し得る。電池セルは、タブを集電体に結合し、それによってタブが集電体から電流を運ぶことができるように生成されてきた。そのようなセルのある例としては、複数の長方形電極が積層又は積み重ねられた長方形セル、又は帯状電極が螺旋状に巻かれた円筒形セルが挙げられる。例えば、螺旋巻きリチウム電池は、帯状集電箔を正極活性物質でコーティングすることによって生成された正極と、正極の一部に結合された複数のタブと、セパレータと、帯状の負極集電箔を負極活性物質でコーティングすることによって生成された負極と、セパレータを経て正極の上に重ねられた複数のタブと、組立品の頂部に置かれた第２セパレータとを含む。これらの構成要素は、螺旋状に一体的に巻かれてよい。タブは、超音波溶接、抵抗溶接、レーザ溶接、打ち抜き加工、クリンプ加工などの方法によって電極に結合されてよい。
[0004] 電池は、金属箔を用いて生成されるタブを含み、このタブは正極及び負極の各々に取り付けられてきた。小型電池が放電又は充電されたときに電流がタブの各々に流れることができる。タブを、巻かれた帯状電極の先端に、その終端に、又はその先端と終端との間の箇所に取り付けることができる。
[0005] 帯状電極は、長くて連続的な物質として形成され、大きい表面積を有することができる。そのような場合、放電及び充電が電極の全長にわたって多少均一に行われるように、複数のタブは間隔を置いて電極の上に取り付けられることがあった。場合によっては、巻回の中心にある締付部は一部分においてタブを位置合わせすることを困難にするが、タブはその螺旋に対して位置合わせされてきた。
[0006] 抵抗は、電極の長さに沿って電極内に存在する。電極に対して垂直である電流の密度が電極表面にわたって均一でなかった場合、高電流密度領域の利用は、低電流領域の利用より前に完了する。これは、電極の有効面積が徐々に減少してインピーダンスを増加させることがあり、それによって電極の電流容量を減少し得る。
[0007] 集電箔が薄すぎる場合、電極に沿った集電体抵抗が高いことがある。集電箔が厚すぎる場合、電極面積が小さく、かつ電気化学的抵抗が高いことがある。集電体抵抗又は電気化学的抵抗を増加させることは、電極の電流能力を減少させ、かつ電池性能を損なうことがある。
[0008] したがって、電池性能を高めるために、集電体構成が集電体インピーダンスの減少へと繋がる一方、電極の電流密度の最大均一性を維持し、かつ電極間の抵抗を等化し得るようなタブの構成及び最適な集電体の厚さが必要である。
[0009] 本発明は、充電式電池用の集電体を構成するシステム及び方法を提供する。そのような構成は、タブ構成及び集電箔の厚さを含み得る。本明細書中に説明する本発明の種々の態様は、以下に説明するあらゆる特定の用途又はあらゆるタイプの電池及び発電器要素に適用することができる。本発明は、独立型システム又は方法、あるいは一体化した電池又は発電器システムの一部として適用されてもよい。本発明の種々の態様が個別に、集合的に又はお互いとの組み合わせで認識できることを理解されたい。
[0010] 本発明の一態様は、少なくとも正極及び負極を含む電池を提供し、各電極は集電体を有する。集電体は、集電箔に電気的に接続された少なくとも１つのタブを有してよい。集電箔は、所定の高さ及び厚さを有してよい。高さを指す集電箔の寸法を、幅と呼ぶこともできる。タブは、タブが集電箔から突出し、かつ集電箔と一体的に結合できるようにある長さによって形成されてよい。
[0011] 本発明のある実施形態では、集電箔の表面上にコーティングが形成されてよい。コーティングは活性物質を含んでよく、集電箔の一面又は両面上をコーティングしてよい。
[0012] 本発明のある実施形態では、電極及びセパレータは多数の異なる方法で構成されてよい。セパレータは、電極が互いに接触することを防ぐように電極間に配置されてよい。例えば、集電体アセンブリは、負極集電体表面が正極集電体及び任意のセパレータに対して平坦であるように積層されてよい。
[0013] 電極の集電箔は多数の形状及びサイズを有してよい。例えば、集電箔は、特定の高さ、長さ及び厚さを有する長方形であってもよい。同様に、集電箔は帯状であってもよい（例えば、長さが高さ及び厚さをはるかに上回る長方形と類似する）。集電箔は、電流を伝導することが可能な種々の材料からなってもよい。
[0014] １つ以上のタブが各々の集電箔に電気的に接続されてもよい。タブは、超音波溶接、レーザ溶接又は抵抗溶接などの手段によってタブを集電箔に固定するように溶接するなどといった方法、あるいはタブを集電箔上にクリンプすることによって接続されてよい。ある実施形態では、タブを箔の先端、終端又は両端の近くで接続してよい。他の実施形態では、タブを箔の非被覆部に接続してもよい。本発明のある代替の実施形態は、集電箔自体から作成されるタブを提供し、これらのタブは、例えば、箔を細長く切断するか、あるいはそうでない場合、箔からそれらを切断又は形作ることによって作成される。
[0015] 本発明の一実施形態では、タブは、集電体からタブが突出するように集電箔に接続されてよい。この実施態様では、タブの長さは、タブが集電体の全高を覆うように集電箔の高さより大きくてよい。あるいは、タブは、集電体の中心線に沿って高さに対して対称的に構成されるように集電体に接続されてもよい。そのような場合、集電体の半分の高さのところで対称的に接続されるならば、より短いタブが使用されてもよい。
[0016] タブは、集電体の長さに沿って種々の間隔で構成されてよい。本発明の一実施形態では、負極タブは一端にて負極箔に接続され、正極タブは他端にて正極集電箔に接続されてよい。例えば、負極タブが負極箔の先端又は左端に位置した場合、正極タブは正極箔の終端又は右端に位置してもよい。
[0017] 複数のタブが集電極の長さに沿って使用されてよい。一実施形態では、タブが長さ方向に沿って一方の集電箔の中心に対して対称的に構成されているならば、複数のタブが使用されてもよい。一実施態様では、一方の集電箔が２つのタブに接続される一方、他方の集電箔は１つのタブに接続されてもよい。例えば、２つの負極タブは、負極集電箔の長手方向で画定された端に接続され、これは、正極集電箔の長手方向で画定された中心に接続され得る１つの正極タブと組み合わされてよい。
[0018] 本発明の別の実施態様では、一方の電極が３つのタブを有する一方、他方の電極が２つのタブを有してもよい。例えば、３つの負極タブが長手方向において負極集電箔の端及び負極集電箔の中心に接続される一方、２つの正極タブは、正極集電箔の端及び正極集電箔の中心から等距離であるように正極集電箔に接続されてもよい。
[0019] 他の実施態様では、タブが一方の電極の長手方向で画定された中心に対して対称的に構成される限り、任意の数のタブが使用されてもよい。前述の実施態様と同様に、一方の電極がｎ個のタブを有する場合、他方の電極は集電箔の中心に対して対称的に構成されたｎ−１個のタブを有し得る。他の実施態様では、全てのタブが中心に対して対称的に構成されないことがあり、タブの配置にはいくつかのバリエーションがあってよい。
[0020] 別の実施形態では、タブは、長さ方向に沿って集電箔の中心に対して対称的ではないように構成されてもよい。そのようなタブは、お互いに等間隔配置されるように構成されてよい。同じ数のタブが各電極に使用されてよい。１つの電極が電極の先端に第１タブを有し、距離２＊Ｌ／（２ｎ−１）に第２タブ、距離２＊２Ｌ／（２ｎ−１）に第３タブと続くように長さに掛ける分子の数が（２ｎ−２）と等しくなるまでタブを有するといったような方法でそのタブが対称的に配置される限り、あらゆる数のタブｎが各電極上に構成されてよい。２つめの電極は、電極の終端から同じように構成されたタブを有してよい。例えば、各電極が２つのタブを有する場合、負極タブは電極の先端及び負極の先端から２／３の長さのところに接続され、正極タブは正極の終端及び正極の終端から２／３の長さのところに接続されてもよい。この構成は、所定の電極に対する対向電極の突出がその所定の電極の２つの隣接するタブのちょうど中間点に入ることを確実にすることができるので、電流の集電は対称である。
[0021] 本発明の一実施形態によると、集電箔から突出するタブは、箔に沿って反対方向に突出してもよい。例えば、タブは、全ての負極タブが集電箔の高さに沿って下方に向く一方、全ての正極タブが集電箔の高さに沿って上方に向くように構成されてもよい。あるいは、集電箔から突出する全てのタブは箔に沿って同じ方向に突出してもよい。例えば、負極タブ及び正極タブを含む全てのタブは、集電箔の高さに沿って上方に向いてもよい。本発明のさらなる別の実施形態では、タブは、任意の組み合わせによる異なる方向に集電箔から突出してもよい。例えば、タブは、一部の負極タブが上方に向いて一部が下方に向き、かつ一部の正極タブが上方に向いて一部が下方に向くように構成されてもよい。
[0022] 本発明のある実施形態では、電池は、積み重なるように構成された複数の集電体を用いて形成されてよい。他のある実施形態では、帯状集電体は螺旋状に巻かれてよく、それによって帯状集電体の側面はジェリーロール(jellyroll)構成などの平滑端面となって電池を形成する。
[0023] 正極集電箔及び負極集電箔は、正極集電箔が所定の厚さを有し、かつ負極集電箔が所定の厚さを有するように選択されてよい。正極集電箔及び負極集電箔は、所定の厚さで形成されてよい。集電体の所定のセル抵抗は、正極集電箔及び負極集電箔の所定の厚さの機能として提供されてよい。一実施態様では、所定の抵抗は、集電体抵抗及び電気化学的抵抗の合計であってよい。
[0024] 集電箔が薄すぎる場合、集電体に沿った集電体抵抗が高くなり得る。集電箔が厚すぎる場合、より短い集電箔がセル缶などの所定の体積内にフィットし、電極領域は小さく、電気化学的抵抗は高くなり得る。集電体抵抗又は電気化学的抵抗のいずれかを増加させることは、電極の電流容量を減少させ、かつ電池性能を損なうことがある。したがって、セル抵抗を最小限にするために最適な厚さが存在し得る。
[0025] 本発明の一態様は、第１の厚さを有する正極集電箔及び第２の厚さを有する負極集電箔を選択することによってセル抵抗を有する電池を形成することを提供することができ、正極集電箔及び負極集電箔の第１及び第２の厚さは、所定の範囲から選択されて電池にカスタム化された全セル抵抗を提供することができる。ある実施形態では、正極集電箔及び負極集電箔は、それぞれ、正極及び負極が同じ集電体抵抗を有するように第１の厚さ及び第２の厚さによって選択されてもよい。
[0026] 本発明の他の目的及び利点は、以下の説明及び添付の図面とともに考慮したときにさらに理解されるであろう。以下の説明は本発明のある実施形態を説明する特定の詳細を含み得る一方、これは本発明の範囲の限定ではなく好ましい実施形態の例示として解釈されたい。本明細書中に示唆するように当業者に公知である多数の変形が本発明の各態様に対して可能である。本発明の精神から逸脱することなく本発明の範囲内で様々な変化及び修正がなされてよい。
参照による引用
[0027] 本明細書に記載の全ての出版物、特許及び特許出願は、個々の出版物、特許又は特許出願が参照により引用されることが具体的かつ個々に指示された場合と同じ程度まで、参照により本明細書に引用される。
[0028] 本発明の特徴及び利点を、以下の詳細な説明及び例示的実施形態を説明する付随の図面を参照して更に説明することができる。
[0029] 図１は、集電箔に対する１組の座標を定義する。 [0030] 図２は、一対の集電箔及び箔に接続された一対のタブを含む電池を示す。 [0031] 図３は、一対の集電箔、集電箔に接続された一対のタブ、及び集電箔を隔離するセパレータを含む電池を示す。 [0032] 図４は、一対の集電箔を含む二次電池を示しており、一方の集電箔には２つのタブが接続され、他方の集電箔には１つのタブが接続されている。 [0033] 図５は、一対の集電箔を含む二次電池を示しており、一方の集電箔には３つのタブが接続され、他方の集電箔には２つのタブが接続されている。 [0034] 図６は、一対の電極を含む二次電池を示しており、一方の集電体には２つのタブが接続され、他方の集電体には２つのタブが接続されている。 [0035] 図７は、一対の電極を含む二次電池を示しており、一方の集電体に３つのタブが接続され、他方の集電体に３つのタブが接続されている。 [0036] 図８は、正極、負極及びセパレータの積層体の例を示す。 [0037] 図９は、タブを有する集電箔の積層体の例を示す。 [0038] 図１０Ａは、一集電箔上に２つのタブ及び別の集電箔上に１つのタブを有するジェリーロール構成の例を示す。 [0038] 図１０Ｂは、一集電箔上に２つのタブ及び別の集電箔上に１つのタブを有するジェリーロール構成の一例を示す。 [0039] 図１０Ｃは、一集電箔上に３つのタブ及び別の集電箔上に２つのタブを有するジェリーロール構成の別の例を示す。 [0039] 図１０Ｄは、一集電箔上に３つのタブ及び別の集電箔上に２つのタブを有するジェリーロール構成の別の例を示す。
[0040] 本発明の好ましい実施形態を本明細書中に示しかつ記載しているが、そのような実施形態が例示としてのみ提供されていることは当業者にとって明らかであろう。また、本発明から逸脱することなく多数の変形、変更及び置換は当業者にとって明らかであろう。本明細書中に記載される本発明の実施形態に対する様々な代替が、本発明を実施するために採用されてもよいことを理解されたい。
[0041] 本発明によるガルバニセル（本明細書中、電池又はセルと呼ぶこともある）の一実施形態は、以下の構成要素、すなわち、１つ以上の正極及び１つ以上の負極と、電極を隔離する１つ以上のセパレータとを含んでよい。各電極は、活性物質を含むコーティングを有する集電箔部分からなってよい。集電箔部分は、それに取り付けられた１つ以上のタブを含んでよい。タブは様々な構成で集電箔に接続されてよく、その構成要素を組み合わせて電池を形成することができる。
[0042] 電池の様々な構成要素は、当該技術分野において公知又は後で開発される種々の材料からなってもよい。種々の実施形態によると、電極の集電箔、電極のタブ、集電箔に適用され得る活性物質を含むコーティング、及びセパレータは種々の材料を含んでよい。
[0043] 本発明のある実施形態では、集電箔は、金属箔などといった電流を運ぶことができる材料からなってもよい。例えば、金属箔は、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン又はステンレス鋼などの材料からなってもよい。本発明のある実施形態では、負極及び正極集電箔は種々の材料からなってもよい。例えば、負極集電箔は銅によって形成され、正極集電箔はアルミニウムによって形成されてよい。あるいは、負極及び正極集電箔は同じ材料からなってもよい。
[0044] 正極又は負極用のタブは、それぞれ、正極又は負極用の集電箔と同じ金属箔からなってもよく、かつ集電箔に電気的に接続されてよい。ある実施形態では、タブは集電箔自体と同じ金属箔の一部であってもよい。あるいは、タブは異なる金属箔からなってもよい。タブ用の材料は、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン又はステンレス鋼などの金属箔を含んでもよい。本発明のある実施形態では、タブはお互いと異なる材料から形成されてよい。
[0045] 本発明のある実施形態では、活性物質を含むコーティングは集電箔の表面上に形成されてよい。コーティングは、集電箔の前面、集電箔の裏面又は集電箔の両面上にコーティングされてよい。活性物質を含むコーティングは、箔の表面の一部又は表面全体を覆ってもよい。コーティングは、集電箔の表面の一部を連続的又は非連続的に覆ってもよい。集電体コーティングは、電流を流れさせる活性物質を含んでよい。
[0046] 例えば、正極集電箔は、リチウム系酸化物などの活性物質、バインダ及び導電物質を含むコーティングによって覆われてもよい。ある実施形態では、正極用のコーティングは、リチウム遷移金属酸化物の粉末、導電粉末及び結合剤の混合物であってもよい。リチウム遷移金属酸化物は、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ２）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）などの材料、あるいは、リチウム、マンガン、アルミニウム又は他の群の３ｄ又は４ｄ遷移要素であることが好ましい他の要素が活性物質の結晶に添加されるか、又はその結晶を部分的に置換することができる材料であってもよい。バインダは特に限定されなくてよい。バインダのいくつかの例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、あるいは、エチレンプロピレンジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）及びカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などの非フッ素化バインダが挙げられる。利用可能な好ましい導電材としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ＳｕｐｅｒＰ、ピュアブラック、天然黒鉛、合成黒鉛又は膨張黒鉛が挙げられる。ある実施形態では、導電剤は上記の混合物であってもよい。ある実施形態では、混合物はスラリーへと変化してもよく、正極集電箔はスラリーによってコーティングされてもよい。
[0047] 負極集電箔は、炭素材料からなる群から選択された活性物質及びバインダを含むコーティングによって覆われてよい。しかしながら、集電箔上にコーティングされたそのような材料は公知又は後で開発される他の材料を含んでもよいことが理解され得る。ある実施形態では、負極用のコーティングは、炭素粉末及び結合剤の混合物であってもよい。活性物質としては、リチウムイオンを吸蔵又は脱揮発できる材料、例えば、炭質材料又はカルコゲン化合物、及び軽金属から形成される材料が挙げられる。例えば、そのような炭質材料としては、コークス、炭素繊維、熱分解気相成長炭質材料、黒鉛、樹脂焼結生成物、及び中間相ピッチ炭素繊維又は中間相球状炭素焼結生成物が挙げられる。カルコゲン化合物としては、二硫化チタン（ＴｉＳ２）、二硫化モリブデン（ＭＯＳ２）、セレン化ニオビウム（ＮｂＳｅ２）、又はＣｏＯなどの低原子価の遷移金属酸化物が挙げられる。好ましい軽金属の例としては、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、シリコン、シリコン合金、スズ、スズ合金、リチウム金属及びリチウム合金が挙げられる。バインダとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンプロピレンジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）及びカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）が挙げられる。混合物はスラリーへと変化してもよく、負極集電箔はスラリーによってコーティングされてもよい。
[0048] 活性物質を含むコーティングは、集電箔に適用されてよい。コーティングされた集電箔は乾燥されてよく、ある実施形態では、熱又はＩＲを適用することによって乾燥される。
[0049] 正極及び負極集電箔は、正極及び負極が種々の有孔率を有することができるように集電箔の上にコーティングが適用及び加工されてよい。正極及び負極は、約５％〜８０％の有孔率を有してよい。例えば、正極及び負極は、約５％、１０％、２０％、３０％、４０％、６０％又は８０％の有孔率を有してもよい。ある実施形態では、正極及び負極は異なる有孔率を有してもよい。例えば、正極が４０％の有孔率を有する一方、負極は４５％の有孔率を有してもよい。代替の実施形態では、正極及び負極は同じ有孔率を有してもよい。
[0050] 正極及び負極は、正極及び負極が種々の荷重値を有することができるように電極上に適用及び加工された活性物質を含むコーティングを含んでもよい。例えば、正極が約１５ｍｇ／ｃｍ２の荷重を有する一方、負極は約６．９ｍｇ／ｃｍ２の荷重を有してもよい。あるいは、正極及び負極は同じ荷重値を有してもよい。
[0051] 本発明の他のある実施形態では、電池はセパレータも含んでよく、かつ電極及びセパレータは多数の異なる方法によって構成されてもよい。電極は、セパレータが正極と負極との間に配置されるように電極間を１つ以上のセパレータによって隔離してよい。ある実施形態では、１つ以上のセパレータが正極又は負極に隣接して配置されてよい。
[0052] セパレータは、電極を隔離する一方イオンが通り抜けることができる材料からなってよい。例えば、セパレータは、ミクロ細孔プラスチックからなる非常に薄いシートであってもよい。あるいは、セパレータは、例えば、合成樹脂の不織布、ポリエチレンの多孔質フィルム、ポリプロピレンの多孔質フィルム、もしくは３分岐又は４分岐型のＰＥＯ−ＰＰＯ共重合体型のポリエーテルなどといった、電解質を浸透させてリチウムイオンを透過できる材料から形成されてもよい。セパレータは、熱的加熱、Ｅ−Ｂｅａｍ、ＩＲ又はＵＶに架橋されることによって調製されてよい。
[0053] 一例では、電池は、乾燥した正極及び負極を取ってそれらをセパレータを介してお互いに向き合わせ、追加のセパレータを重ね、それらをロール状に巻き、ロールを電池ケースに挿入し、電解液を添加することによって調製されてよい。
[0054] 図１は、集電体に対する１組の座標を定義する。本発明の一態様によると、集電体は、高さ、長さ、及び厚さを有してよい。集電体は、ｘ軸が箔の高さを画定し、ｙ軸がその長さを画定し、かつｚ軸がその厚さを画定するように１組の座標を有してよい。ｘ軸によって画定された寸法は集電体の高さを指してもよく、あるいは集電体の幅を指してもよい。
[0055] 集電体は多数の形状及びサイズを有してよい。例えば、集電箔は、特定の高さ、長さ及び幅を有する長方形であってもよい。同様に、集電箔は、長さが高さ及び厚さをはるかに上回る長方形と類似し得る帯状であってもよい。あるいは、集電箔は、電池内での機能が可能であるあらゆる形状又は構成を有してもよい。集電体は、電池がより高い性能を示すことができる所定の厚さが選択されてよい。
[0056] １つ以上のタブが集電体に電気的に接続されてもよい。タブも種々の形状又はサイズからなってよい。本発明の一実施形態では、タブは長方形の細片からなってもよい。
[0057] タブは、超音波溶接、抵抗溶接又はレーザ溶接などの手段によってタブを集電箔に固定するように溶接するなどといった方法で接続されてよい。超音波プロセスは、熱的影響を起こす可能性が低いため好都合であり得る。超音波プロセスは結合領域を拡大して接触抵抗を減少させることもできる。あるいは、タブは、タブを集電箔上にクリンプするか又はタブを集電箔にテーピングすることによって集電箔に接続されてよい。本発明のある代替の実施形態は、集電箔自体から生成されたタブを提供し、それらは例えば、箔を細長く切断するか折りたたむか、あるいはそうでない場合、箔からそれらを切断又は形作ることによって生成される。
[0058] ある実施形態では、タブは集電箔の前面又は後面に接続されてよい。他の実施形態では、タブは箔の端に接続されてよい。ある代替の実施形態では、タブは、タブの一部が前面に接続され、一部が後面に接続され得るように箔内に埋め込まれても、又は箔を介して接続されてもよい。
[0059] 他の実施形態では、タブは、活性物質によってコーティングされていない電極の部分であり得る集電箔の非被覆部分に接続されてよい。集電箔は、端に非被覆部分が設けられ、タブは非被覆部分に取り付けられてよい。非被覆部分は、活性物質を含むコーティングに対するコーティングプロセスにおいて事前に調製されてもよい。あるいは、タブは、コーティングの上から集電箔に結合されてもよいが、そのような動作は塵を生成することがあり、タブと箔との間に低下した結合力という結果が生じ得る。
[0060] 望ましくない集電体抵抗を最小限にするために１つ以上のタブが集電箔に接続されてよい。高出力電池に対しては、集電箔導電率は高率放電が著しく、これは電池の性能を高めるための高出力電池へのかなりの箔導電率寄与という結果となり得る。最適な状態では、電流は集電体の全長にわたって均一になることができ、これは最大の容量が電極から取り出されるという結果となり得る。集電箔の電流密度は、電極上に配置されたタブの構成に依存し得る。
[0061] 例えば、正極集電箔は長さｙ０ Ａｌを有してよく、正タブはｙ＝ｙ０ Ａｌで接続されて箔の全高に延在してよく、これはシステムをｘ軸に対して対称にさせる。負極は正極の上に位置し、全方向に正極より少し延在してよい。負極タブは、ｙ＝０において負極集電箔の左端に位置してよい。
[0062] システムを以下のように解析することができる。一般化されたオームの法則を以下の通りに記載することができる。

ここで、ΔＶは合計電圧低下であり、ＺＥＣは、負極及び正極集電箔コーティング及び電解質路によるオーム項、２つの電極反応による運動インピーダンス、並びに電解質及び活性物質の粒子におけるリチウムイオン拡散による拡散性インピーダンスを含む表面素子の電気化学的インピーダンスである。Ｉ（ｙ）は集電体上の位置ｙに依存し得る局所電流であってよい。ΔＶｃｏｌｌはｙ地点での２つの集電箔による電圧低下である。
[0063] 集電箔による電圧低下はオームの法則によって２つの項（各集電体に対して１つずつ）で表すことができる。ここで、電子はｙ＝ｙ０ Ａｌ地点における正極タブからｙ地点に流れ、そのあとｙ＝０地点における負電極タブへと流れる。
[0064] この式を以下のように書き換えることもできる。
[0065] ここで

である。
[0066] ＲＡｌは箔の全長に沿った正箔の抵抗であり、ｙ’は箔に沿った無次元の長さであり得る。無次元パラメータλが１に等しい場合、式［３］における波括弧内の式はｙ’の値と無関係となり、よって、電流は集電体の全長にわたってできる限り均一になることができる。これは、最も多くの容量を電極から取り出すことができるので、特に高電流に対して最適な状態となる。これは、２つの電極の高さが固定されているときの正極集電箔対負極集電箔の厚さの比率によって制御することができ、以下の通りに表すことができる。
[0067] ここで、ｚ０ Ａｌは正極集電箔の厚さであり、ｚ０ Ｃｕは負極集電箔の厚さである。また、ρＡｌは正極集電箔材料の抵抗率であり、ρＣｕは負極集電箔材料の抵抗率である。また、ｘ０ Ｃｕは負極の高さであり、ｘ０ Ａｌは正極の高さである。
[0068] ある実施形態では、λの値は０．１、０．２、０．５、０．７９、０．８５、０．９５、０．９９、１．０、１．０１、１．１、１．２、１．５、２、５又は１０であってもよい。ＲＡｌの値は、０．００１、０．００５、０．０１、０．０１２７又は０．０５オームであってもよい。ΔＶの値は、０．０１、０．０３、０．０６１、０．０８、０．１、０．２，０．５Ｖであってもよい。ＺＥＣ／Ａの値は、０．０１、０．０２、０．０４９３、０．０８、０．１、０．２、０．５オームであってもよい。そのような値は、４パルスに対する測定された総分極（１０で）及び集電体抵抗を差し引きすることによってとることができる。
[0069] タブは、タブが集電体から突出することができるように集電箔に接続されてよい。一実施態様では、タブは、タブの長さがｘ軸と平行になるように集電箔に接続されてよく、これはタブの長さが集電箔の長さと直交するという結果となり得る。この実施態様では、タブの長さは集電箔の高さより長くてよく、それによってタブは集電箔の全長を覆うことができ、かつ集電箔の高さから突出することができる。
[0070] 一実施態様では、タブは、片側のみから突出するように集電箔の高さより突出してよい。例えば、集電箔の高さが２ｃｍ、タブの長さが３ｃｍであった場合、タブの長さのうち２ｃｍが集電箔を覆い、タブのうち１ｃｍが集電箔から突出してよく、タブのその１ｃｍはｘ軸に沿って上方向又は下方向のいずれかに突出してよい。
[0071] 代替の実施態様では、タブは、両側から突出することができるように集電箔の高さより突出してよい。例えば、集電箔の高さが２ｃｍ、タブの長さが３ｃｍであった場合、タブの長さのうち２ｃｍが集電箔を覆い、タブのうち１ｃｍが集電箔から突出してよい。それによってタブのうちの０．５ｃｍがｘ軸に沿って上方向に突出し、タブの０．５ｃｍは下方向に突出してよい。あるいは、タブは対称的な量が突出する必要はなく、すなわち、例えば、タブの０．２５ｃｍがｘ軸に沿って上方向に突出する一方、タブの０．７５ｃｍは下方向に突出してもよい。
[0072] 本発明の代替の実施形態では、タブは、高さに対して箔の中心線に沿って対称的に構成されるように集電箔に接続されてよい。そのような場合、集電体の半分の高さにて対称的に接続されるならば、より短いタブが使用されてもよい。集電箔のｙ軸に対して対称である限りあらゆる長さのタブが使用されてもよい。例えば、集電箔の高さが２ｃｍ、タブの長さが１ｃｍであった場合、タブは、ｙ軸に対して対称であるように、かつ０．５ｃｍの箔がタブのいずれかの端を超えるように箔に取り付けられてよい。
[0073] 集電箔の端におけるタブは、負極及び正極の同じ側にあった場合、又は電極の反対側にあった場合、この対称性を保つことができないことがある。例えば、一方の電極の上にタブがあり、かつ他方の電極の下にタブがあった場合、対称性を保つことができないことがある。これは、ｘ方向における集電抵抗の増加という結果となり得る。
[0074] 本発明の代替の実施形態では、タブは、ｘ軸に対してある角度にあるように集電体に接続されてよい。例えば、タブは、ｘ軸から１０度進むように集電体に接続された細片からなる。あるいは、タブ自体は真っ直ぐでなくてもよい。例えば、集電箔に接続されたタブの一部は、ｘ軸に対して平行であってもよいが、集電箔から突出するタブの一部はｘ軸に対してある角度に配置されてもよい。ある実施態様では、組み立てられた電池セル内では、タブは、例えばセルが組み立てられるときに曲がっていても湾曲していてもよい。本発明のあらゆる実施形態には、完全に直交しない可能性があるタブが適用されてもよい。
[0075] 本発明のある実施形態では、全てのあらゆるタブの長さは同じであってもよい。本発明の代替の実施形態では、タブが同じ箔に接続される場合であっても、タブの長さは変化してもよい。
[0076] 図２は、本発明の一実施形態による、一対の集電箔及び箔に接続された一対のタブを含む電池を示す。タブは、集電体の長さに沿って種々の間隔で構成されてよい。本発明のある実施形態では、１つのタブが１つの集電箔に接続されてよい。
[0077] 本発明の一実施形態では、負極タブは一端にて負極箔に接続され、正極タブは他端にて正極箔に接続されてよい。例えば、負極タブが負極箔の先端又は左端に位置した場合、正極タブは正極箔の終端又は右端に位置してもよい。あるいは、負極タブが終端又は右端にて負極箔に取り付けられる場合、正極タブは先端又は左端にて正極箔に接続されてよい。本発明の代替の実施形態では、タブは箔の同じ側に接続されてもよい。例えば、負極タブ及び正極タブの両方が、それぞれ、負極箔及び正極箔の終端又は左端に接続されてもよい。
[0078] 本発明の別の実施形態によると、集電箔から突出するタブは異なる箔に沿って反対方向に突出してよい。例えば、タブは、全ての負極タブが集電箔のｘ軸に沿って下方に向く一方、全ての正極タブが集電箔のｘ軸に沿って上方に向くように構成されてもよい。別の例では、タブは、全ての負極タブが集電箔のｘ軸に沿って上方に向く一方、全ての正極タブが集電箔のｘ軸に沿って下方に向くように構成されてもよい。
[0079] あるいは、集電箔から突出する全てのタブは箔に沿って同じ方向に突出してもよい。例えば、負極タブ及び正極タブを含む全てのタブは、集電箔のｘ軸に沿って上方に向いてもよい。同様に、負極タブ及び正極タブを含む全てのタブは、集電箔のｘ軸に沿って下方に向いてもよい。
[0080] 本発明の更なる別の実施形態では、タブは、集電箔から任意の組み合わせによる異なる方向に突出してもよい。例えば、タブは、一部の負極タブが上方に向いて一部が下方に向き、かつ一部の正極タブが上方に向いて一部が下方に向くように構成されてもよい。
[0081] 本発明の一実施形態では、負極タブが電極のｘ軸に沿って一方向に突出して正極タブが電極のｘ軸に沿って他方の方向に突出するように負極タブが一端で負極に接続されて正極タブが他端で正極に接続されてもよい。例えば、図２に示すように、アノードタブはアノードの左端に接続されて下方に向く一方、カソードタブはカソードの右端に接続されて上方に向いてもよい。
[0082] 図３は、本発明の一実施形態による、一対の集電箔と、集電箔に接続された一対のタブと、集電箔を隔離するセパレータとを含む電池を示す。
[0083] 電極は、正極集電箔と負極集電箔との間にセパレータが配置されるように電極間を１つ以上のセパレータによって隔離してもよい。ある実施形態では、１つ以上のセパレータは、正極集電箔又は負極集電箔に隣接して配置されてもよい。例えば、図３は、コーティングを有するアノード集電箔に接続されたアノードタブを示しており、このアノード集電箔はセパレータに隣接しており、このセパレータはカソードタブを有するカソード集電箔にも隣接しており、このカソード集電箔は別のセパレータにも隣接している。
[0084] セパレータは、正極及び負極がお互いに接触することを防止するサイズ及び形状からなってよい。例えば、電極が長方形である場合、セパレータも、電極がお互いに接触することを防ぐための十分な寸法からなる長方形であってよい。別の例では、電極が帯状である場合、セパレータも、電極がお互いに接触することを防ぐための十分な寸法からなる帯状であってよい。セパレータは、電極を隔離する一方、イオンを通過させることができる材料からなってもよい。セパレータに、リチウムイオンなどのイオンを通すことができる電解液を含浸させてもよい。
[0085] 本発明の一実施形態では、電流路は、電流が１つのタブから接続された集電箔を通り、その後セパレータを通り、その後他方の集電箔を通って他方のタブへと流れることができるように構成されてよい。流れの方向は、電池が充電又は放電しているかにより得る。例えば、電池が充電している間、電流は正極タブ内を通り、これは正極上の正イオンがセパレータを通って負極に移動することをもたらし、これは、電子が反対方向に流れる一方、電流を更に負極タブ内に流れることをもたらし得る。電池が放電している間、電流は反対方向に流れてよく、すなわち、電流は負極タブ内を通って負極内へと流れ、これは正イオンがセパレータを通って正極へと流れることをもたらし、これは、電子が反対方向に流れる一方、電流を更に正極タブ内に流れることをもたらし得る。本発明のある実施形態では、正イオンはリチウムイオンであってもよい。
[0086] 図４は、本発明の一実施形態による一対の電極を含む二次電池を示しており、一方の電極は２つのタブを有している一方、他方の電極は１つのタブを有している。
[0087] 望ましくない集電体抵抗を最小限にするために1つ以上のタブが電極に接続されてよい。最適な状況下においては、電流は電極の全長にわたって均一になることができ、これは最大の容量が電極から取り出されるという結果となり得る。集電体の電流密度は、電極上に配置されるタブの構成により得る。タブが長手方向に（ｙ軸に沿って）電極の中心に対して対称に構成されるならば、複数のタブが使用されてもよい。したがって、複数のタブが電極の長さに沿って使用されてもよい。
[0088] 一実施形態では、複数のタブが長手方向に沿って電極のうちの１つの中心に対して対称的に構成されてよい。例えば、一方の電極が２つのタブを有する一方、他方の電極は１つのタブを有する。例えば、２つの負極タブが負極の端に接続されてもよく、端はｙ軸方向で画定される。この構成は、正極の中心に接続された１つの正極タブと組み合わされてよく、中心はｙ軸方向で画定される。あるいは、２つの正極タブが正極の端に接続される一方、１つの負極タブが負極の中心に接続されてもよい。
[0089] 一実施態様では、２つの負極タブがｘ軸に沿って下方に突出するように２つの負極タブがｙ軸に沿って負極の端に接続される一方、正極タブがｘ軸に沿って上方に向くことができるように１つの正極タブがｙ軸に沿って正極の中心に接続されてもよい。
[0090] 本発明の一実施形態では、電流路は、電流が１つのタブから接続された電極を通り、その後セパレータを通り、その後他方の電極を通って他方の電極の別のタブへと流れることができるように構成されてよい。複数のタブがあった場合、電流は、１つの電極のタブから集電箔へ、その後セパレータを通り、その後他方の電極を通って他方の電極の他のタブに流れてもよい。
[0091] 流れの方向は、電池が充電又は放電しているかにより得る。例えば、電池が充電している間、電流は正極タブ内へと流れ、正極上の正イオンがセパレータを通って負極に移動することをもたらす。これは、さらに電流を、負極内を通っていずれかの端における２つの負極タブに流がさせることができ、その一方で電子は反対方向に流れる。電池が放電している間、電流は反対方向に流れてよく、すなわち、電流は負極の両端における負極タブ内を通って負極内へと流れ、正イオンがセパレータを通って正極へと流れることをもたらす。これは、さらに電流を、正極を通って電極の中心に配置された正極タブに流れさせることができ、その一方で電子が反対方向に流れる。
[0092] 図５は、本発明の別の実施形態による、一対の電極を含む二次電池を示しており、３つのタブが一方の電極に接続され、２つのタブが他方の電極に接続される。例えば、３つの負極タブが負極の端及び負極の中心に接続される一方、２つの正極タブは、正極の端及び正極の中心から等距離であるように正極に接続されてもよい。あるいは、３つの正極タブが長手方向に正極の端及び正極の中心に接続される一方、２つの負極タブは、負極の端及び負極の中心から等距離であるように負極に接続されてもよい。
[0093] 一実施態様では、３つのアノードタブがｘ軸に沿って下方に突出するようにｙ軸に沿ってアノード集電箔の端に接続される一方、２つのカソードタブがｙ軸に沿ってカソード集電体の端及びカソードの中心から等距離であり、カソードタブがｘ軸に沿って上方に向くように２つのカソードタブはカソードに接続されてもよい。距離は、カソードタブがＡ＝Ｂ＝Ｃ＝Ｄとなるように構成され、アノードタブがＥ＝Ｆとなるように構成されてよい。
[0094] 本発明の他の実施形態では、タブが長さ方向に沿って一方の電極の中心に対して対称に構成される限り、任意の数のタブが使用されてもよい。更なるタブを用いた類似の構成は、電極に対して実質的に均一の電流密度を維持した状態で集電体インピーダンスの更なる減少へと繋がり得る。
[0095] 前述の実施態様と同様に、一方の電極が１より大きい任意の整数であるｎ個のタブを有する場合、他方の電極は長さ方向に沿って電極の中心に対して対称的に構成されたｎ−１個のタブを有し得る。したがって、前述の実施態様と同様に、一対の電極は、それぞれ５個のタブ及び４個のタブ、それぞれ９個のタブ及び８個のタブ、それぞれ１５個のタブ及び１４個のタブ、それぞれ２０個のタブ及び１９個のタブ、それぞれ３０個のタブ及び２９個のタブ、又はそれぞれ５０個のタブ及び４９個のタブに接続されてもよい。
[0096] そのような複数のタブがｙ軸に沿って対称的に構成されてもよい。ある実施形態では、第１電極に接続されたタブは、第２電極に電気的に接続されたタブとは反対側に、かつそれらの間に位置決めされてよい。ある実施形態では、第１電極上のタブは、他方の電極上の最も近いタブから等距離であるように第２電極に接続されたタブ間にあってよい。
[0097] ある代替の実施形態では、タブの位置は、ｙ軸に沿って対称的に構成されないように若干変更されてもよい。タブの位置は、ジェリーロールの内側ラップ及び外側ラップの非対称性のために変更されてよい。タブの位置は、タブの間に均等に積み重ねられた電極があり得るように変更されてもよい。タブの位置を選択する方法は、電極及びセパレータの厚さによって影響され得る。例えば、タブの位置は、巻き取り後にタブがジェリーロールの円周の同じセクターに配置され得るように選択されてよい。
[0098] 本発明の別の実施形態では、第１集電体及び第２集電体は、ゼロより大きい任意の整数であるｎ個のタブに接続されてもよい。第１電極及び第２電極上のタブは、等間隔に配置されるように取り付けられてよい。電極は先端及び終端を有してもよく、先端及び終端は電極の反対の端にある。例えば、長さＬを有する第１電極は、電極の先端に接続されたタブを有してよい。第２タブは、距離２＊Ｌ／（２ｎ−１）で第１電極に接続されてよい。第３タブは、距離２＊（２＊Ｌ／（２ｎ−１））で第１電極に接続されてよく、このように続いていく。ｐが１〜ｎのタブ数であるところでは、ｐ個目のタブは、第１電極の先端から２＊（ｐ−１）＊Ｌ／（２ｎ−１）に配置されてよい。
[0099] タブは、電極の終端から等しく配置されるように第２電極上に配置されてよい。したがって、第２電極のｐ個目のタブは、第２電極の終端から２＊（ｐ−１）＊Ｌ／（２ｎ−１）に配置されてよい。第２電極のタブ配置を別の見方で見ると、ｐ個目のタブは第２電極の先端から（２＊ｐ−１）＊Ｌ／（２ｎ−１）に配置されてよい。したがって、タブは、第１電極と第２電極との間で交互に等間隔に配置されてよい。
[0100] 図６は、一対の電極を含む二次電池の一実施態様を示しており、本発明の別の実施態様により、２つのタブは一方の電極に接続され、２つのタブは他方の電流電極に接続される。例えば、２つの負極タブは、負極の先端及び電極の先端から２／３の長さのところで負極に接続される一方、２つの正極タブは、正極の終端及び正極の終端から２／３の長さのところにあるように正極に接続されてもよい。タブは、Ａ＝Ｂ＝Ｃとなるように負極と正極との間で交互に等間隔に配置されるように構成されてよい。
[0101] 図７は、一対の電極を含む二次電池の別の実施を示しており、本発明の別の実施により、３つのタブは一方の電極に接続され、３つのタブは他方の電極に接続される。例えば、３つの負極タブが、負極の先端、電極の先端から２／５の長さのところ、及び電極の先端から４／５の長さのところで負極に接続される一方、３つの正極タブは、正極の終端、正極の終端から２／５の長さのところ、電極の終端から４／５の長さのところにあるように正極に接続されてもよい。タブは、Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝Ｄ＝Ｅとなるように負極と正極との間で交互に等間隔に配置されるように構成されてもよい。
[0102] 本発明の別の代替の実施形態では、第１電極が１より大きい任意の整数であるｎ個のタブを有する場合、第２電極はｎ以下及びゼロより大きい任意の整数であるｍ個のタブを有してもよい。一対の集電体タブは、例えば、それぞれ６個のタブ及び３個のタブ、それぞれ６個のタブ及び２個のタブ、それぞれ８個のタブ及び４個のタブなどといったように接続されてもよい。
[0103] 本発明は、タブを有する２つ以上の電極から形成することができる電池が提供されてよい。電極は、多数の異なる構成においてコーティングを有し、かつセパレータを用いて構成されてよい。
[0104] 本発明のある実施形態では、電池は、積み重なるように構成された複数の電極を用いて形成されてよい。そのような積層体(stack)は、少なくとも１つのタブを有する正極、セパレータ、少なくとも１つのタブを有する負極、別のセパレータが繰り返された交互の層があるように構成されてよい。図８は、積み重ねられた電極の例を側面及び上面から示す。そのような電極の積層体には、本明細書中で考察されたあらゆるタブ構成及びその組み合わせを組み込んでよい。図９は、様々なタブ構成を有する電極のＡ例及びＢ例を示す。そのような電極は積み重なるように構成されてよい。
[0105] 他のある実施形態では、帯状電極は、電極自体を螺旋状に巻くことによって積層することができ、それによって帯状電極の側面はジェリーロール構成で巻かれた平滑端面となって電池を形成する。そのような帯は、長さ、厚さ及び高さなどといった異なる寸法からなってよく、これは結果的に可変の直径からなるジェリーロール構成の電池となり得る。例えば、螺旋状に巻かれたジェリーロール電池は０．１ｍｍ〜１０ｃｍの範囲の直径を有してもよい。電池の直径は、約０．１ｍｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１７．４ｍｍ、２６ｍｍ、３１ｍｍ、４１ｍｍ、５０ｍｍ又は１０ｃｍであってもよい。本発明のある実施形態では、ジェリーロール電池は、環状の断面を有するか、あるいは、楕円形、長方形又は他のあらゆる形状などの他の端面を有して螺旋状に巻かれてもよい。螺旋状に巻かれた集電体は、本明細書中で考察されたあらゆるタブ構成及びその組み合わせを組み込んでもよい。
[0106] 図１０Ａ及び図１０Ｂは、第１電極上の２つのタブ及び第２電極上の１つのタブを有するジェリーロール構成の例を示しており、第１電極上のタブは一方向に突出し、第２電極上のタブは別の方向に突出する。図１０Ｃ及び図１０Ｄは、第１電極上の３つのタブ及び第２電極上の２つのタブを有するジェリーロール構成の別の例を示しており、第１電極上のタブは一方向に突出し、第２電極上のタブは別の方向に突出する。
[0107] 本発明のある実施形態では、電池は、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池又は鉛蓄電池などの充電式電池であってよい。ある場合では、電池は、１８６５０円筒形セル型、２６６５０円筒形セル型、３１６５０円筒形セル型又は６３３４５０角柱セル型などの円筒形セル型又は角柱セル型であってもよい。
[0108] 前述したように、電池の集電箔は多数の形状及びサイズを有してよい。例えば、集電箔は長方形であり、特定の高さ、長さ及び厚さを有してよい。同様に、集電箔は、長さが高さ及び厚さをはるかに超える長方形と類似し得る帯状であってもよい。あるいは、集電箔は、電池内で機能することができるあらゆる形状又は構成を有してもよい。
[0109] ある実施形態では集電箔は様々な寸法を有してよい。集電箔は、電池内で機能することができるあらゆるサイズからなってよい。ある実施形態では、正極及び負極集電箔は異なる高さを有してよい。例えば、正極集電箔が高さ５４ｍｍを有する一方、負極集電箔は高さ５６ｍｍを有してもよい。代替の実施形態では、正極及び負極集電箔は同じ高さを有してもよい。
[0110] ある実施形態では、正極及び負極集電箔は異なる長さを有してよい。例えば、正極集電箔が長さ６００ｍｍを有する一方、負極集電箔は長さ６３２ｍｍを有してもよい。代替の実施形態では、正極及び負極集電箔は同じ長さを有してもよい。本発明のある実施形態では、正極集電箔及び負極集電箔の長さは、前述したように、ジェリーロール電池が様々な直径を有することができるように電極が螺旋状に巻かれてジェリーロール構成を形成するような長さであってよい。ジェリーロール直径は、異なる断面形状を有する螺旋状に巻かれた電極にも適用され得る。例えば、楕円形ジェリーロールは、小径６ｍｍ及び大径３６ｍｍを有してもよい。
[0111] セパレータは、正極及び負極がお互いに接触することを防止するサイズ及び形状からなってよい。例えば、集電箔が長方形であった場合、セパレータも長方形であり、かつ電極がお互いに接触することを防ぐための十分な寸法を有してよい。別の例では、電極が帯状であった場合、セパレータも、電極が接触することを防ぐための十分な寸法からなる帯状であってよい。セパレータは様々な厚さからなってよい。例えば、セパレータは、５μｍ〜１００μｍの範囲の厚さ、例えば約５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、７０μｍ又は１００μｍなどの厚さを有してもよい。
[0112] 電池は正極及び負極を含んでよい。本発明の一態様は、正極集電箔が所定の厚さを有し、かつ負極集電箔が所定の厚さを有するように選択されてよい正極集電箔及び負極集電箔を提供し、これらの集電箔は後でコーティングされる。正極集電箔及び負極集電箔は、所定を厚さで形成されてよい。セルの所定の抵抗は、正極集電箔及び負極集電箔の所定の厚さの機能として提供されてよい。一実施形態では、セル抵抗を決定する機能は、セル抵抗が集電体抵抗及び電気化学的抵抗の合計となるように構成されてよい。
[0113] 集電体抵抗は、集電箔に沿った電流の流れの抵抗であってよい。集電体抵抗は集電箔の厚さにより得る。電気化学的抵抗は、電池セル内の様々なファラデー及び非ファラデープロセスからのオームインピーダンス及び非オームインピーダンスを含んでよく、そのようなインピーダンスは、固相伝導、粒子間接続、電解液抵抗及び濃度分極の影響を含み得る。電気化学的抵抗は、集電箔の厚さにより得る。例えば、集電箔が厚すぎる場合、より短い集電箔がセル缶などの所定の体積内にフィットし、また電極領域は小さく、電気化学的抵抗は高くなる。集電体抵抗又は電気化学的抵抗のいずれかを増加させることは、セル抵抗を増加させる場合があり、電極の電流能力の減少及び電池性能に対する損害をもたらす。集電箔の所定の厚さは、セル抵抗が最小限になることができるように選択されてよい。
[0114] 正極及び負極は、特定の正極及び負極集電箔の厚さに対して同等の抵抗を有してよい。例えば、正極集電箔の集電箔抵抗は、特定の正極箔の厚さ及び特定の負極箔の厚さに対して負極集電箔の集電箔抵抗と等しくてもよい。本発明のある実施形態では、正極箔の厚さ及び負極箔の厚さは、正極及び負極に対して同等の抵抗をもたらすような関係を有してよい。
[0115] ある実施態様では、関係は線形であってよく、よってＹ＝ａ＊Ｘである。ここで、Ｘは正極集電箔の厚さ及びＹは負極集電箔の厚さである。例えば、ａは約０．１〜１０、０．３〜１．０又は０．５〜０．７の範囲内に入る。ａの値は選択される集電箔材料によって変化し得る。例えば、正極集電箔がアルミニウムであり、かつ負極集電箔が銅である本発明の好ましい実施形態では、ａは０．６であってよく、よってＹ＝０．６＊Ｘである。
[0116] 前述したように、図１は集電箔に対する１組の座標を定義する。更に式［１］〜式［５］に対して前述したように、無次元パラメータλが１に等しい場合、式は集電箔の長さと無関係となり、よって電流は集電体の全長にわたって均一になることができる。電極の長さにわたって均一の電流を有することは、最も多くの容量を電極から取り出すことができるので、特に高電流に対して最適である。これは、式［５］に示すように、正極対負極箔の厚さの比率によって制御することができる。
[00117] 電極上の電流分布は、電池の設計要素によって影響され得る。均一な電流分布が望ましい。電流分布は、所定サイズのセルに対するタブ構成、集電箔の厚さ及び電極の長さなどの電池設計要素によって影響され得る。１つの特定のタブ構成は、各電極上の単一のタブであり、タブは電極の反対端にあってよい。この特定の構成では、電池設計のプロセスは、両電極の荷重及び有孔率並びに２つの集電箔の厚さを決定することを含んでよい。これらが一度決定されると、セル缶内にフィットすることができる電極の最大の長さはセル缶の内部体積から計算することができる。集電体の厚さの選択は電極の長さ及び電極の面積を影響することがあり、その結果、電気化学インピーダンス及び電池の他の性能特性、例えば最大電流伝搬能力を影響し得る。
[00118] 本発明の一態様は、第１の厚さを有する正極集電箔及び第２の厚さを有する負極集電箔を選択することによってカスタム化されたセル抵抗を有する電池を形成することを提供することができ、正極集電箔及び負極集電箔の第１及び第２の厚さは、所定の範囲から選択されてカスタム化された全セル抵抗又はより均一な電流密度を提供することができる。カスタム化された全セル抵抗は、集電体抵抗と電気化学的抵抗との合計であり得る所定の抵抗であってよい。一部の場合、λが１に近似するように正極集電箔及び負極集電箔の厚さが選択された場合、集電体抵抗を最小化することができる。
[00119] ある実施形態では、カスタム化されたセル抵抗は、カスタム化されたセル抵抗と正極集電箔及び負極集電箔の厚さとの関係に着目することによって決定することができる。所望のカスタム化されたセル抵抗をもたらすために、あらゆる正極集電箔の厚さ及び負極集電箔の厚さが選択されてよい。ある実施形態では、所望のカスタム化されたセル抵抗は、特定の性質を有する正極及び負極に対する最小化されたセル抵抗である。
実施例
実施例１
[00120] １組のセルに対して正極集電体はアルミ箔であった。正極集電体の高さは５４ｍｍであり、厚さは２７μｍであり、かつ抵抗率ρＡｌは２．８２×１０−６オームｃｍであった。負極集電体は銅箔であった。負極集電体の高さは５６ｍｍ、厚さは１６μｍ、かつ抵抗率ρＣｕは１．７２×１０−６オームｃｍであった。式［４］で定義したように、λは０．９８であった。正極集電体を、８７．５重量％のＬｉＣｏＯ２（可逆容量１４４ｍＡｈ／ｇ、ｄ＝５．０５ｇ／ｃｍ３）、５重量％のカーボンブラック（ｄ＝１．９０ｇ／ｃｍ３）及び７．５重量％のＰＶＤＦ（ｄ＝１．７３ｇ／ｃｍ３）を含んだ活性物質によってコーティングした。コーティングを有する正極は３９％の有孔率及び１５．４ｍｇ／ｃｍ２の荷重を有した。正極の高さは５４ｍｍであった。負極集電箔を、９１重量％の黒鉛（可逆容量３２０ｍＡｈ／ｇ、ｄ＝２．２２ｇ／ｃｍ３）、２重量％のカーボンブラック（可逆容量０ｍＡｈ／ｇ、ｄ＝１．９０ｇ／ｃｍ３）及び７重量％のＰＶＤＦ（ｄ＝１．７３ｇ／ｃｍ３）を含んだ活性物質によってコーティングした。コーティングを有する負極は４４％の有孔率及び６．８４ｍｇ／ｃｍ２の荷重を有した。負極の高さは５６ｍｍであった。セパレータの厚さは２５μｍであった。電極及びセパレータを、内径３ｍｍ及び外径１７．４ｍｍを有するジェリーロール構成になるように螺旋状に巻いた。ジェリーロールをセル容器内に挿入した。タブを端子に溶接した。セル容器を、ＥＣ／ＥＭＣ（３：７重量）に１．２Ｍ ＬｉＰＦ６を含む７．５ｇの電解液で満たした。セルを密閉した。
[00121] セルは１０秒ＤＣ放電パルス試験条件を受けた。試験条件は所定の電流における１０秒パルスを含み、その後、放電の電圧が２．５Ｖに到達するまで各パルス間において１２０秒の休止を含んだ。パルスの数をセル性能の指標として使用した。群における８つのセルを、以下の各々のパルス電流及び電力設定、すなわち、３０Ａ、２０Ａ、１８００Ｗ／ｋｇ、１２００Ｗ／ｋｇ及び６００Ｗ／ｋｇで試験した。３０Ａ、２０Ａ及び１８００Ｗ／ｋｇの高流出試験の各々は２つのセルを使用し、かつ６００Ｗ／ｋｇ及び１２００Ｗ／ｋｇの中流出試験の各々は１つのセルを使用した。表１はパルスの数又はパルスの平均数の結果を一覧に示す。
実施例２
[00122] １組のセルに対して正極集電体はアルミ箔であった。正極集電体の高さは５４ｍｍであり、厚さは４０μｍであり、かつ抵抗率ρＡｌは２．８２×１０−６オームｃｍであった。負極集電体は銅箔であった。負極集電体の高さは５６ｍｍ、厚さは２０μｍ、かつ抵抗率ρＣｕは１．７２×１０−６オームｃｍであった。式［４］で定義したように、λは１．１６であった。正極集電体を、８７．５重量％のＬｉＣｏＯ２（可逆容量１４４ｍＡｈ／ｇ、ｄ＝５．０５ｇ／ｃｍ３）、５重量％のカーボンブラック（ｄ＝１．９０ｇ／ｃｍ３）及び７．５重量％のＰＶＤＦ（ｄ＝１．７３ｇ／ｃｍ３）を含んだ活性物質によってコーティングした。コーティングを有する正極は３８．４％の有孔率及び１５．４ｍｇ／ｃｍ２の荷重を有した。正極の高さは５４ｍｍであった。負極集電箔を、９１重量％の黒鉛（可逆容量３２０ｍＡｈ／ｇ、ｄ＝２．２２ｇ／ｃｍ３）、２重量％のカーボンブラック（可逆容量０ｍＡｈ／ｇ、ｄ＝１．９０ｇ／ｃｍ３）及び７重量％のＰＶＤＦ（ｄ＝１．７３ｇ／ｃｍ３）を含んだ活性物質によってコーティングした。コーティングを有する負極は４５．８％の有孔率及び５．９ｍｇ／ｃｍ２の荷重を有した。負極の高さは５６ｍｍであった。セパレータの厚さは２５μｍであった。電極及びセパレータを、内径３ｍｍ及び外径１７．４ｍｍを有するジェリーロール構成になるように螺旋状に巻いた。ジェリーロールをセル容器内に挿入した。タブを端子に溶接した。セル容器を、ＥＣ／ＥＭＣ（３：７重量）に１．２Ｍ ＬｉＰＦ６を含む７．４６ｇの電解液で満たした。セルを密閉した。
[00123] セルは１０秒ＤＣ放電パルス試験条件を受けた。試験条件は所定の電流における１０秒パルスを含み、その後、放電の電圧が２．５Ｖに到達するまで各パルス間において１２０秒の休止を含んだ。パルスの数をセル性能の指標として使用した。群における９つのセルを、以下の各々のパルス電流及び電力設定、すなわち、３０Ａ、２０Ａ、１８００Ｗ／ｋｇ、１２００Ｗ／ｋｇ及び６００Ｗ／ｋｇで試験した。３０Ａ、２０Ａ、１２００Ｗ／ｋｇ及び１８００Ｗ／ｋｇの高流出試験の各々は２つのセルを使用し、かつ６００Ｗ／ｋｇの中流出試験は１つのセルを使用した。表１はパルスの数又はパルスの平均数の結果を一覧に示す。３０Ａパルス試験は５つのセルを使用し、２０Ａパルス試験は２つのセルを使用した。表１はパルスの数又はパルスの平均数の結果を一覧に示す。
実施例３
[00124] １組のセルに対して正極集電体はアルミ箔であった。正極集電体の高さは５４ｍｍであり、厚さは４０μｍであり、かつ抵抗率ρＡｌは２．８２×１０−６オームｃｍであった。負極集電体は銅箔であった。負極集電体の高さは５６ｍｍ、厚さは２０μｍ、かつ抵抗率ρＣｕは１．７２×１０−６オームｃｍであった。式［４］で定義したように、λは０．７８であった。正極集電体を、８７．５重量％のＬｉＣｏＯ２（可逆容量１４４ｍＡｈ／ｇ、ｄ＝５．０５ｇ／ｃｍ３）、５重量％のカーボンブラック（ｄ＝１．９０ｇ／ｃｍ３）及び７．５重量％のＰＶＤＦ（ｄ＝１．７３ｇ／ｃｍ３）を含んだ活性物質によってコーティングした。コーティングを有する正極は４０％の有孔率及び１５．０ｍｇ／ｃｍ２の荷重を有した。正極の高さは５４ｍｍであった。負極集電箔を、９１重量％の黒鉛（可逆容量３２０ｍＡｈ／ｇ、ｄ＝２．２２ｇ／ｃｍ３）、２重量％のカーボンブラック（可逆容量０ｍＡｈ／ｇ、ｄ＝１．９０ｇ／ｃｍ３）及び７重量％のＰＶＤＦ（ｄ＝１．７３ｇ／ｃｍ３）を含んだ活性物質によってコーティングした。コーティングを有する負極は４５％の有孔率及び５．８ｍｇ／ｃｍ２の荷重を有した。負極の高さは５６ｍｍであった。セパレータの厚さは２５μｍであった。電極及びセパレータを、内径３ｍｍ及び外径１７．４ｍｍを有するジェリーロール構成になるように螺旋状に巻いた。ジェリーロールをセル容器内に挿入した。タブを端子に溶接した。セル容器を、ＥＣ／ＥＭＣ（３：７重量）に１．２Ｍ ＬｉＰＦ６を含む８．１５ｇの電解液で満たした。セルを密閉した。
[00125] セルは１０秒ＤＣ放電パルス試験条件を受けた。試験条件は所定の電流における１０秒パルスを含み、その後、放電の電圧が２．５Ｖに到達するまで各パルス間において１２０秒の休止を含んだ。パルスの数をセル性能の指標として使用した。群における７つのセルを、以下の各々のパルス電流及び電力設定、すなわち、３０Ａ及び２０Ａで試験した。３０Ａパルス試験は５つのセルを使用し、２０Ａパルス試験は２つのセルを使用した。表１はパルスの数又はパルスの平均数の結果を一覧に示す。
[00126] 前述したように、λが１に等しい場合、電流は集電体の長さにわたってできる限り均一であることができる。λの近似ができる限り１に近いセルは、特に高電流に対して好ましい場合があり、ここでは最も多くの容量を電極から取り出すことができる。集電箔の厚さはλを最適化するように選択されてよい。
[00127] 具体的な実施態様が図示され説明されてきたが、それに対して様々な変更を行うことや本明細書内にその変更が企図されることを上述から理解されたい。本発明は、本明細書中で示した特定の実施例によって限定されることを意図していないことも理解されたい。本発明を上述の明細書を参照して説明してきたが、本明細書中の好ましい実施形態の説明及び図示は、限定された意味で解釈されることを意図していない。さらに本発明の全ての態様は、様々な条件及び変数によって変わり、本明細書で記載される特定の描写、構成又は相対的な比率に限定されないことを理解されたい。本発明の実施形態の構成及び詳細における様々な変更は、当業者にとって明白であろう。したがって、本発明がそのようなあらゆる変更、変形及び均等物も包含すべきであると考えられる。

Claims (46)

  1. 負極集電箔及び正極集電箔を含み、その各々が高さ（ｈ）で形成される、一対の集電箔と、
    前記一対の集電箔うちの一方の集電箔に電気的に接続された複数のタブ及び前記一対の集電箔のうちの他方の集電箔に電気的に接続された複数のタブと、含み、
    前記複数のタブが、長さ（ｔ）で形成され、かつ前記一対の集電箔から突出する、電池。
  2. 前記タブの前記長さ（ｔ）は前記一対の集電箔の前記高さ（ｈ）より大きい、請求項１に記載の電池。
  3. 前記負極集電箔は銅によって形成される、請求項１に記載の電池。
  4. 前記正極集電箔はアルミニウムによって形成される、請求項１に記載の電池。
  5. 前記一方の集電箔は５つのタブによって形成され、かつ前記他方の集電箔は４つのタブによって形成される、請求項１に記載の電池。
  6. 前記一方の集電箔は４つのタブによって形成され、かつ前記他方の集電箔は３つのタブによって形成される、請求項１に記載の電池。
  7. 前記一方の集電箔は３つのタブによって形成され、かつ前記他方の集電箔は２つのタブによって形成される、請求項１に記載の電池。
  8. 前記一方の集電箔は２つのタブによって形成され、かつ前記他方の集電箔は２つのタブによって形成される、請求項１に記載の電池。
  9. 前記タブはお互いから等距離で交互に構成される、請求項５、６、７又は８に記載の電池。
  10. 前記一方の集電箔からの前記タブは、前記他方の集電箔からの前記タブとは反対方向に突出する、請求項１に記載の電池。
  11. 前記一対に集電箔は、直径１８ｍｍのジェリーロール構成になるように巻かれる、請求項１に記載の電池。
  12. 前記一対の集電箔は、直径２５ｍｍから２６ｍｍのジェリーロール構成になるように巻かれる、請求項１に記載の電池。
  13. 前記一対の集電箔は直径３１ｍｍのジェリーロール構成になるように巻かれる、請求項１に記載の電池。
  14. 前記一対の集電箔は直径４１ｍｍのジェリーロール構成になるように巻かれる、請求項１に記載の電池。
  15. 前記集電体は、１８６５０セル内で円筒形ジェリーロール構成になるように巻かれる、請求項１に記載の電池。
  16. 前記集電体は、６３３４５０角柱セル内で楕円形ジェリーロール構成になるように巻かれる、請求項１に記載の電池。
  17. 前記集電体は、集電箔間に少なくとも１つのセパレータをさらに含む、請求項１に記載の電池。
  18. 前述したような複数の集電箔は、積み重なるように構成される、請求項１に記載の電池。
  19. 前記集電箔のうちの少なくとも１つは、活性物質を含む少なくとも１つのコーティングをさらに含む、請求項１に記載の電池。
  20. 第１集電箔及び第２集電箔と、
    前記第１集電箔に電気的に接続された少なくとも２つのタブ及び前記第２集電箔に電気的に接続された少なくとも２つのタブと、を含み、
    前記第１集電箔に電気的に接続された前記タブは、前記第２集電箔に電気的に接続された前記タブと反対側でそのタブ間に位置決めされる、二次電池。
  21. 前記第１集電箔及び前記第２集電箔は、お互い反対側に位置決めされ、かつ組み合わされて集電体ユニットを形成する、請求項２０に記載の二次電池。
  22. 前記集電体ユニットの前記タブは、前記集電体ユニットの長さに沿って形成されたｙ軸に沿って等間隔に配置されており、前記タブは、前記集電体ユニットから離れるように交互に実質的に反対方向に向いている、請求項２１に記載の二次電池。
  23. 前記集電体ユニットは、交互する上下構成で位置決めされた等間隔に配置されたタブを含む、請求項２１に記載の二次電池。
  24. 前記集電体ユニットは、ジェリーロール構成になるように巻かれる、請求項２１に記載の二次電池。
  25. 前記第１集電箔及び前記第２集電体からの前記タブは、前記集電体ユニットの前記長さに沿って形成されたｙ軸に沿った、お互いの非ミラー反射像である、請求項２１に記載の二次電池。
  26. 前記タブは、前記タブ間に均等な電極の積層があるように位置決めされる、請求項２０に記載の二次電池。
  27. 一方の集電箔は５つのタブによって形成され、かつ他方の集電箔は４つのタブによって形成される、請求項２０に記載の二次電池。
  28. 前記一方の集電箔は４つのタブによって形成され、かつ前記他方の集電箔は３つのタブによって形成される、請求項２０に記載の二次電池。
  29. 前記一方の集電箔は３つのタブによって形成され、かつ前記他方の集電箔は２つのタブによって形成される、請求項２０に記載の二次電池。
  30. 前記一方の集電箔は２つのタブによって形成され、かつ前記他方の集電箔は２つのタブによって形成される、請求項２０に記載の二次電池。
  31. 少なくとも１つのタブは長さ（ｔ）で形成され、かつ集電箔から突出しており、前記タブの前記長さ（ｔ）は前記集電箔の前記高さ（ｈ）より大きい、請求項２０に記載の二次電池。
  32. 負極集電箔及び正極集電箔を選択する工程と、
    前記負極集電箔及び前記正極集電箔をそれぞれ所定の厚さで形成して、前記負極集電箔及び前記正極集電箔は実質的に同等の集電箔抵抗を有する工程と、
    を含む、電池を製造する方法。
  33. 前記負極集電箔は銅から形成される、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記正極集電箔はアルミニウムから形成される、請求項３２に記載の方法。
  35. 前記負極集電箔の前記厚さは前記正極集電箔の前記厚さの６０％である、請求項３２に記載の方法。
  36. 負極集電箔及び正極集電箔を選択する工程と、
    前記負極集電箔及び前記正極集電箔をそれぞれ所定の厚さで形成して、前記負極集電箔及び前記正極集電箔の電流はその全長にわたって実質的に均一である工程と、
    を含む、電池を製造する方法。
  37. カスタム化された全セル抵抗を有する二次電池を形成する方法であって、前記方法は、
    厚さ（ｔ１）で形成された負極を選択する工程と、
    厚さ（ｔ２）で形成された正極を選択する工程と、を含み、
    前記（ｔ１）及び前記（ｔ２）は、前記二次電池に対してカスタム化された全セル抵抗を提供するために所定の範囲内に入るように選択された厚さである、方法。
  38. 前記負極は、負極集電箔及び負極コーティングによって形成される、請求項３７に記載の方法。
  39. 前記正極は、正極集電箔及び正極コーティングによって形成される、請求項３７に記載の方法。
  40. 前記（ｔ１）及び前記（ｔ２）は、前記負極及び前記正極が同等の集電箔抵抗を有するように選択される、請求項３７に記載の方法。
  41. 前記（ｔ１）及び前記（ｔ２）は、前記負極箔抵抗が前記正極箔抵抗の９０％であるか、又は前記正極箔抵抗が前記負極箔抵抗の９０％であるように選択される、請求項３７に記載の方法。
  42. 前記（ｔ１）及び前記（ｔ２）は、前記負極箔抵抗が前記正極箔抵抗の９５％であるか、又は前記正極箔抵抗が前記負極箔抵抗の９５％であるように選択される、請求項３７に記載の方法。
  43. （ｔ１）＝０．６＊（ｔ２）である、請求項３７に記載の方法。
  44. 前記（ｔ１）及び前記（ｔ２）は、λパラメータが０．９から１．１であるように選択される、請求項３７に記載の方法。
  45. 前記（ｔ２）及び前記（ｔ２）は、前記カスタム化された全セル抵抗が最小化されるように選択される、請求項３７に記載の方法。
  46. 前記（ｔ１）及び前記（ｔ２）は、前記電流が前記負極及び前記正極の全長にわたって実質的に均一になるように選択される、請求項３７に記載の方法。
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