JP2012516542A - エネルギー貯蔵デバイスのための電極折畳み部 - Google Patents

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マーティン パトリック ヒギンス，
ジュリアス レガラド，
アンソニー ジョージ，
シン チョウ，
ネルソン チッタ，
マイルズ チッタ，
アレン マイケル，
ケネス ケリソル，
ダニエル ジェイ． ウエスト，
バーバラ パターソン，
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ジー４ シナジェティクス， インコーポレイテッド
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Abstract

積層させたエネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）は、積層に配列される少なくとも２つの伝導性基板を有する。各セル区画は、第１の活物質電極を有する第１の電極ユニットと、第２の活物質電極を有する第２の電極ユニットと、活物質電極間の電解質層とを有してもよい。各活物質電極は、複数の折り畳まれた区画と、平面区画とを有し、例えば、各セル区画内の界面の数を増加させることによって、ＥＳＤ容量を増加させてもよい。一実施例では、第１の伝導性基板と、積層方向に提供される第２の伝導性基板と、第１の伝導性基板と第２の伝導性基板との間に提供される第１の活物質と、第１の伝導性基板と第２の伝導性基板との間に提供される第２の活物質とを備え、第１および第２の活物質の各々は、折り畳まれており、および、積層方向に直角の複数の平面区画を備える、ＥＳＤ。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／１４７，７２５号（２００９年１月２７日出願）および米国仮特許出願第６１／１８１，１９４号（２００９年５月２６日出願）の利益を主張し、これらの両出願は、その全体が本明細書に参考として援用される。
（発明の分野）
本発明は、概して、エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）に関し、より具体的には、本発明は、電極折畳み部を有する積層されたＥＳＤに関する。
双極ＥＳＤは、標準的な巻回（ｗｏｕｎｄ）または柱状セルよりも増加した放電率と、それらの外部コネクタ間に高い電位を提供し得、したがって、ある用途に対して需要が高い。従来のＥＳＤは、２つの電極のみを有する巻回セル構造、または並列の多数の板の集合を有する標準的な柱状セル構造のいずれかとして製造されている。これらの種類の両方では、電解質は、ＥＳＤ内のあらゆる場所で共有される。巻回セル構造および柱状セル構造は両方とも、それらの電気路が複数の接続を交差し、かつ直列配列において、一方のセルから隣のセルへの完全な回路を被覆するためにかなり長い距離に及ばなくてはならないことから、高い電気抵抗を被る。
加えて、巻回セルおよび柱状セル構造は両方とも、電極のセル内への組立、処理、および包装のために、比較的高い機械的安定性を有する電極を必要とする。巻回セル電極は、構造的損傷を付与し、ＥＳＤ性能に負の影響を及ぼし得る巻回および包装プロセスの際に、ある範囲の曲率にわたって屈曲させられることによって巻回に付随する応力関連の欠陥を回避するために、十分に弾性でなければならない。柱状電極は、典型的には、平坦であって、概して、巻回セル構造の巻回プロセスによって付与される応力を受けない。しかしながら、柱状電極は、セル内の同一極性を有する板間に、付加的な接続構成要素を必要とする。
故に、巻回プロセスを回避し、それによって、巻回の応力関連の欠損を回避するＥＳＤを提供することが望ましいであろう。さらに折り畳まれた機械的で相補的な共通集電器、すなわち、電子移動経路に沿って電極を有するＥＳＤを提供し、柱状セル構造におけるような付加的な接続構成要素の必要性を排除することが望ましいであろう。
種々の用途に対するＥＳＤの使用の増加に伴って、これらのデバイスの容量は、重要な要因となっている。ＥＳＤ容量は、ＥＳＤによって格納される電荷の測定値であって、ＥＳＤから抽出可能な最大量のエネルギーの構成要素である。ＥＳＤの容量は、ＥＳＤ内に含有される活物質の質量と、ＥＳＤ内の電極間の界面の数に関連し得る。従来の巻回セルおよび柱状セル構造では、容量はより多くの物質を追加することによって（例えば、より多くの電極を追加するか、または電極のサイズを増加させることによって）、増加させられる。これは、ＥＳＤのサイズを増加させ、容量の結果として生じる増加と比較して、ＥＳＤに相当量の質量を追加し得る。
故に、容量が増加される一方で、ＥＳＤの質量および体積を最小にするセルを有する積層双極ＥＳＤを提供することが望ましいであろう。さらに、電極間の界面数が増加させられたセルを有する積層双極ＥＳＤを提供することが望ましいであろう。
上述に照らして、増加された容量および折り重った電極を有する、積層ＥＳＤのための装置および方法が提供される。
ある実施形態によると、積層方向に提供される第１の伝導性基板と、第２の伝導性基板とを有するＥＳＤが提供される。第１の活物質は、第１の伝導性基板と第２の伝導性基板との間に提供されてもよく、第２の活物質は、第１の伝導性基板と第２の伝導性基板との間に提供されてもよい。第１および第２の活物質は、それぞれ、折り畳まれてもよく、かつ積層方向に直角の複数の平面区画を有してもよく、各平面区画は、折り畳まれた区画によって、隣接する平面区画に結合されてもよく、第１の活物質のそれぞれの平面区画は、第２の活物質のそれぞれの平面区画と接合してもよい。
本発明のいくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスのために、粒子が充填された（ｐｏｗｄｅｒ ｐａｃｋｅｄ）電極が提供されてもよい。活性粉末は、基板中に乾燥充填されてもよく、活性粉末は、基板の均一な分布および表面勾配を確保するために、湿潤剤によって湿潤されてもよい。活性粉末は、基板の表面上にバインダ層によってオーバーコートされてもよい。バインダ層の化学抵抗は、活性粉末を適所に保持する一方、基板へおよび基板からの電解質イオンの移動を可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、基板は、折り畳まれて折畳み電極を形成し得る共通集電器に結合されてもよい。
本発明の上述の利点および他の利点は、添付の図面と併用して以下の詳細な説明を考察することによってより明白となるであろう（図面において、同一の参照文字は、同一の部分を指す）。
図１は、本発明のある実施形態による双極電極ユニット（ＢＰＵ）の構造の概略断面図を示す。 図２は、本発明のある実施形態による、図１のＢＰＵの積層の構造の概略断面図を示す。 図３は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。 図４は、本発明のある実施形態による、厚くされた電極を有する、ＢＰＵの積層の構造の概略断面図を示す。 図５は、本発明のある実施形態による、電極折畳み部を有する、ＢＰＵの積層の構造の概略断面図を示す。 図６は、本発明のある実施形態による、電極折畳み部を有する、ＢＰＵの積層の構造の概略断面図を示す。 図７は、本発明のある実施形態による、折り紙式電極折畳み部の斜視図を示す。 図８は、本発明のある実施形態による、図７の折り紙式電極折畳み部の側面立面図を示す。 図９Ａおよび９Ｂは、本発明のある実施形態による、それぞれ、活物質電極層の構造の上面図ならびに側面立面図を示す。図９Ｃは、本発明のある実施形態による、折り畳まれた図９Ａ−９Ｂの活物質電極層の側面立面図を示す。 図１０Ａおよび１０Ｂは、本発明のある実施形態による、それぞれ、活物質電極層の構造の上面図ならびに側面立面図を示す。図１０Ｃは、本発明のある実施形態による、折り畳まれた図１０Ａ−１０Ｂの活物質電極層の側面立面図を示す。 図１１は、本発明のある実施形態による、電極を粉末充填するための例示的工程図を示す。
増加した容量を有する積層エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）のための装置および方法が提供され、図１−図１１を参照して以下に説明される。本発明は、電気エネルギーまたは電流を貯蔵および／または提供し得る、例えば、バッテリ、キャパシタ、あるいは任意の他の好適な電気化学エネルギーもしくは電力貯蔵デバイス等のＥＳＤに関する。本発明は、積層双極ＥＳＤと関連して本明細書において説明されるが、論じられるコンセプトは、平行板、柱状、折畳み、巻回および／または双極の構成、任意の他の好適な構成、あるいは任意のそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意のセル間の電極構成に適用可能であることを理解されるであろう。
積層形式の封止セルを有する種々の種類のＥＳＤが開発されており、これらのＥＳＤは、標準的な巻回または柱状ＥＳＤよりも外部コネクタ間に高い放電率および高い電位を提供することができ、したがって、ある用途に対して需要が高い。積層形式の封止セルを含むある種類のこれらのＥＳＤは、概して、独立して封止された対の単極電極ユニット（ＭＰＵ）の積層を含むように開発されている。これらのＭＰＵはそれぞれ、集電体の第１の面上にオーバーコートされる、正極活物質電極層または負極活物質電極層のいずれかが提供される。正の活物質電極層を伴うＭＰＵ（すなわち、正のＭＰＵ）および負の活物質電極層を伴うＭＰＵ（すなわち、負のＭＰＵ）は、これらの２つのＭＰＵの集電体を電気的に絶縁するために、それらの間に電解質層を有する。本対の正および負のＭＰＵの集電体は、活物質電極層およびそれらの間の電解質とともに、単一のセルまたはセル区画として封止される。それぞれが正のＭＰＵおよび負のＭＰＵを有する、このようなセルの積層を含むＥＳＤは、本明細書において「積層された単極性」ＥＳＤと称されるものとする。
第１のセルと第２のセルとが積層形式になるように、第１のセルにおいて電極層によってオーバーコートされない正のＭＰＵの集電体の面は、第２のセルにおいて電極層によってオーバーコートされない負のＭＰＵの集電体の面に電気的に結合される。積層におけるこれらのセル区画の直列構成によって、電位が集電体間で異なり得る。しかしながら、特定のセルの集電体が相互に接触する場合、または特定のセルにおける２つのＭＰＵの共通電解質が、積層において任意の付加的なＭＰＵによって共有される場合、ＥＳＤの電圧およびエネルギーは、すぐにゼロまで減退する（すなわち、放電する）であろう。したがって、積層された単極ＥＳＤは、そのセルのそれぞれの電解質をその他のセルのそれぞれから独立して封止する。
積層形式の封止セルを有する他の種類のＥＳＤは、概して、一連の積層された双極電極ユニット（ＢＰＵ）を含むように開発されている。これらのＢＰＵはそれぞれ、集電体の対向面上にオーバーコートされる正極活物質電極層と、負極活物質電極層とが提供される。任意の２つのＢＰＵは、相互の上部に積層され、その２つのＢＰＵの集電体を電気的に絶縁するために、電解質層は、ＢＰＵのうちの１つの正の活物質電極層とＢＰＵのうちの他方の負の活物質電極層との間に設けられる。また、任意の２つの隣接するＢＰＵの集電体は、活物質電極層およびそれらの間の電解質とともに、封止された単一のセルまたはセル区画であってもよい。それぞれ、第１のＢＰＵの一部分および第２のＢＰＵの一部分を有する、そのようなセルの積層を含む、ＥＳＤは、本明細書において「積層された双極」ＥＳＤと称されるものとする。
第１のＢＰＵの正の面および第２のＢＰＵの負の面が第１のセルを形成する一方で、第２のＢＰＵの正の面は、例えば、第３のＢＰＵの負の面または負のＭＰＵの負の面で同様に第２のセルを形成する。したがって、個々のＢＰＵは、積層双極ＥＳＤの２つの異なるセルに含まれ得る。積層におけるこれらのセルの直列構成によって、電位が集電体間で異なり得る。しかしながら、特定のセルの集電体が相互に接触する場合、または第１のセルにおける２つのＢＰＵの共通電解質が、積層における任意の他のセルにより共有される場合、ＥＳＤの電圧およびエネルギーは、すぐにゼロまで減退する（すなわち、放電する）であろう。
従来の積層双極ＥＳＤは、平面電極板を使用する。平面板を使用し、縁封止の使用により平面板を絶縁することによって、積層された電気化学ＥＳＤ内のセルは、実質的に独立して動作し得る。独立したセルが充電および放電されると、わずかな圧力差が隣接するセル間で発生し得る。隣接するセル間の圧力差が、平方インチ当たり数ポンドを超える場合、平面電極は、第１のセルから第２のセルに偏向し得る。この偏向は、第２のセルの隔離板物質を歪め、短絡が発生し得る「ホットスポット」を生成し得る。個々のセルの物理的構成要素および化学的性質が、概して、相互に若干異なるため、概して、セル間の圧力差が存在する。
図１は、本発明のある実施形態による、例示的「平板」双極電極ユニットまたはＢＰＵ１０２を示す。積層セルＥＳＤ内で使用するための平板構造については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｏｇｇらによる米国特許出願第１１／４１７，４８９号およびＯｇｇらによる米国特許出願第１２／０６９，７９３号に詳述されている。ＢＰＵ１０２は、不透過性で伝導性の基板または集電体１０６の第１の面上に設けられ得る正の活物質電極層１０４と、不透過性伝導性基板１０６の他方の面上に設けられ得る負の活物質電極層１０８とを含み得る（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２００７年１０月９日に発行されたＦｕｋｕｚａｗａらによる米国特許第７，２７９，２４８号参照）。
双極電極は、任意の好適な形状または幾何学形状を有し得ることを理解されるであろう。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、「平板」ＢＰＵは、代替として、または加えて、「皿形状」電極であってもよい。皿形状電極は、双極ＥＳＤの動作の際に発生し得る、圧力を低減させ得る。皿形状圧平衡電極については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらによる米国特許出願第１２／２５８，８５４号に詳述されている。
図２は、本発明のある実施形態による、ＢＰＵ（例えば、図１のＢＰＵ１０２参照）の積層の基本構造の概略断面図を示す。例えば、複数のＢＰＵ２０２は、１つのＢＰＵ２０２の正電極層２０４が、電解質層２１０を介して、隣接するＢＰＵ２０２の負電極層２０８に対向し得るように、２つの隣接するＢＰＵ２０２間に提供され得る電解質層２１０とともに、積層２２０として実質的に垂直に積層されてもよい。各電解質層２１０は、電解質を保持し得る、隔離板（図示せず）を含んでもよい。隔離板は、正電極層２０４およびそれに隣接する負電極層２０８を電気的に分離する一方、以下により詳細に説明するように、電極ユニット間のイオン移動を可能にし得る。
図２におけるＢＰＵ２０２の積層された状態のＢＰＵ２０２を引き続き参照すると、例えば、第１のＢＰＵ２０２の正電極層２０４および基板２０６と、第１のＢＰＵ２０２に隣接する第２のＢＰＵ２０２の負電極層２０８および基板２０６と、第１と第２のＢＰＵ2０２との間の電解質層２１０とに含まれる構成要素は、本明細書において、単一の「セル」または「セル区画」２２２と称されるものとする。各セル区画２２２の各不透過性基板２０６は、適用可能な隣接するセル区画２２２によって共有されてもよい。
図３に示すように、例えば、本発明のある実施形態に従って、積層双極ＥＳＤ５０を構成するために、正端子および負端子が、１つ以上のＢＰＵ２ａ−ｄの積層２０とともに提供されてもよい。不透過性伝導性基板１６の一方の面に提供される正極活物質電極層１４を含み得る正の単極電極ユニットまたはＭＰＵ１２は、正のＭＰＵ１２の正電極層１４が、電解質層１０ｅを介して、積層２０のその第１の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ｄ）の負電極層（すなわち、８ｄ）と対向し得るように提供される、電解質層（すなわち、電解質層１０ｅ）とともに、積層２０の第１の端部に配置されてもよい。不透過性伝導性基板３６の一方の面に提供される負極活物質電極層３８を含み得る、負の単極電極ユニットまたはＭＰＵ３２は、負のＭＰＵ３２の負電極層３８が、電解質層１０ａを介して、積層２０のその第２の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ａ）の正電極層（すなわち、４ａ）と対向し得るように提供される、電解質層（すなわち、電解質層１０ａ）とともに、積層２０の第２の端部に配置されてもよい。ＭＰＵ１２および３２には、対応する正電極導線１３および負電極導線３３がそれぞれ設けられ得る。
例えば、図３に示されるように、各ＭＰＵの基板および電極層は、その隣接するＢＰＵ２ａ／２ｄの基板および電極層と、それらの間の電解質層１０ａ／１０ｅとともに、セル区画を形成し得ることに留意されたい（例えば、区画２２ａおよび２２ｅ参照）。積層２０内の積層されたＢＰＵ２ａ−ｄの数は、１つ以上であってもよく、例えば、ＥＳＤ５０のための所望の電圧に対応するために、適切に判定されてもよい。各ＢＰＵ ２ａ−ｄは、ＥＳＤ５０のための所望の電圧が、各構成要素ＢＰＵ２ａ−ｄによって提供される電位を効果的に追加することによって、達成され得るように、任意の所望の電位を提供してもよい。各ＢＰＵ ２ａ−ｄは、同等電位を提供する必要はないことを理解されるであろう。
いくつかの実施形態では、双極ＥＳＤ５０は、ＢＰＵ積層２０およびそのそれぞれの正および負のＭＰＵ１２および３２が、低下圧力の下において、ＥＳＤケースまたは包体４０内に少なくとも部分的にカプセル化（例えば、密封）され得るように構築されてもよい。ＭＰＵ伝導性基板１６および３６（または少なくともそれらのそれぞれの電極導線１３および３３）は、例えば、利用時の外部からの衝撃を緩和し、かつ環境劣化を防止するように、ＥＳＤケース４０から引き出され得る。
第１のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ａの電解質層１０ａを参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ｂの電解質層１０ｂを参照）と結合することを防止するために、ガスケットまたは封止材が、その特定のセル区画内の電解質を実質的に封止するために、隣接する電極ユニット間の電解質層とともに積層されてもよい。ガスケットまたは封止材は、例えば、特定のセルの隣接する電極ユニットと相互作用し、それらの間の電解質を封止し得る、任意の好適な圧縮性あるいは非圧縮性の固体もしくは粘着性物質、または他の好適な物質、あるいはそれらの組み合わせであってもよい。一つの好適な配列では、例えば、図３に示されるように、本発明の双極ＥＳＤは、各セル区画２２ａ−ｅの電解質層１０ａ−ｅならびに活物質電極層４ａ−ｄ／１４および８ａ−ｄ／３８を中心として、障壁として配置され得る、ガスケットまたは封止材６０ａ−ｅを含んでもよい。ガスケットまたは封止材は、連続的かつ密閉されてもよく、そのセルのガスケットと隣接する電極ユニットとの間の電解質（すなわち、ＢＰＵあるいはそのガスケットまたは封止材に隣接するＢＰＵまたはＢＰＵおよびＭＰＵ）を実質的に封止してもよい。ガスケットまたは封止剤は、例えば、そのセルの隣接する電極ユニット間の適切な空間を提供し得る。
第１のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ａの電解質層１０ａを参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ｂの電解質層１０ｂを参照）と組み合わせられることを防止するために、積層双極ＥＳＤ５０のセル区画を封止する際、セル区画は、セルが充電および放電されることに伴って、隣接するセル（例えば、セル２２ａ／２２ｂ）の間に圧力差を産生し得る。平衡弁は、このように発生する圧力差を実質的に減少させるために、提供されてもよい。平衡弁は、気体の移動を可能にし、かつ電解質の移動を実質的に防止する、半透過性膜または破裂板として、機械的あるいは化学的に動作し得る。ＥＳＤは、平衡弁の任意の組み合わせを有する、ＢＰＵを有してもよい。圧平衡弁については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらによる米国特許出願第１２／２５８，８５４号に詳述されている。
図４−６は、例えば、ＥＳＤの容量を増加させるために使用され得る、本発明の種々の実施形態を示す。
図４は、本発明のある実施形態による、２つのセル区画４２２ａ−ｂの積層４２０の構造の概略断面図を示す。例えば、図４に示されるように、各セル区画４２２ａ／８２２ｂは、その間に提供される電解質層とともに、正極活物質電極層４０４と、負極活物質電極層４０８とを含んでもよい。不透過性伝導性基板または集電体４０６ｃは、積層４２０の第１の端部であって、伝導性基板４０６ａは、積層４２０の第２の端部であってもよい。積層方向は、積層４２０の第１の端部から積層４２０の第２の端部への方向として、伝導性基板４０６ｃおよび４０６ａを使用して、画定されてもよい。引き続き、図４の積層された状態を参照すると、例えば、伝導性基板４０６ａおよび伝導性基板４０６ｂを含む、その間の構成要素は、セル区画４２２ａ内に含まれてもよい。同様に、伝導性基板４０６ｂおよび伝導性基板４０６ｃを含む、その間の構成要素は、セル区画４２２ｂ内に含まれてもよい。
図４の積層では、例えば、正の電極層４０４および負の電極層４０８は、空隙距離４１５によって分離されてもよい。空隙距離４１５は、任意の好適な距離であってもよい。例えば、空隙距離４１５は、内部抵抗を最小にする一方、電極表面間の電子の移動を制限する、任意の好適な距離であってもよい。例えば、好適な空隙距離は、設計特有であって、０ミル、５ミル、１０ミル以上であってもよい。空隙距離は、例えば、ＥＳＤアセンブリの閉鎖力、電極厚、および活物質の電極負荷に関連してもよい。空隙距離は、例えば、充電および放電循環の際に、電極または隔離板に過剰な力を及ぼすことなく、電極分離を最小にするために最低化されてもよい。可変の閉込めを組み込むＥＳＤは、循環の際に、それぞれの空隙距離を設定するようにセルを独立して調節し、電極の体積変換を補償してもよい。圧平衡弁については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらの２０１０年１月２７日出願米国特許出願第１２／６９４，６３８号に詳述されている。
いくつかの実施形態では、例えば、積層４２０のＥＳＤ容量を増加させるために、正の電極層４０４および負の電極層４０８は、空隙距離４１５が、例えば、図２の正の電極層２０４と負の電極層２０８との間の空隙距離と比較して、比較的に小さくなり得るように、高さ４０４ｈまたは高さ４０８ｈ、あるいは両方を増加させることによって、厚くされてもよい。
しかしながら、アノードおよびカソードの界面面積は、実質的に変化せず（すなわち、正の電極層４０４および負の電極層４０８の界面表面積は、一方または両方の電極層が厚くされても、実質的に変化しない）が、厚くされた電極は、イオンおよび電子流のために、より長い経路をもたらし、それによって内部抵抗を増加させ得るので、正の電極層４０４および／または負の電極層４０８を厚くすることによって、伝導性の損失をもたらす場合がある。
図５は、本発明のある実施形態による、２つのセル区画５２２ａ−ｂの積層５２０の構造の概略断面図を示す。図５は、本明細書において「ｚ型折畳み」電極と称されるものを提供することによって、ＥＳＤの容量を増加させる別のアプローチを例示する。例えば、図５に示されるように、各セル区画５２２ａ−ｂは、活物質の各界面（例えば、界面、５１７、５１８、および５１９参照）間に提供される電解質層とともに、正極活物質電極層５０４と、負極活物質電極層５０８とを含んでもよい。不透過性伝導性基板または集電体５０６ｃは、積層５２０の第１の端部であって、伝導性基板５０６ａは、積層５２０の第２の端部であってもよい。積層方向は、積層５２０の第１の端部から積層５２０の第２の端部への方向として、伝導性基板５０６ｃおよび５０６ａを使用して画定されてもよい。引き続き図５の積層された状態を参照すると、例えば、伝導性基板５０６ａおよび伝導性基板５０６ｂを含む、その間の構成要素は、セル区画５２２ａ内に含まれてもよい。同様に、伝導性基板５０６ｂおよび伝導性基板５０６ｃを含む、その間の構成要素は、セル区画５２２ｂ内に含まれてもよい。
ｚ型折畳み電極を提供することによって、所与のセル区画５２２ａ−ｂ内において、正の電極層５０４と負の電極層５０８との間の界面（例えば、界面５１８）の数を実質的に増加させてもよい。例えば、セル区画５２２ａ内の正の電極層５０４と負の電極層５０８との間の界面の数は、各セル区画（例えば、セル区画４２２ａを参照）内に単一界面のみを示す図４のセル区画内の界面の数より多くてもよい。ｚ型折畳み電極の界面は、抵抗が表面積に反比例するので、電極が、相互にかつ集電体に接触し、それによって、ＥＳＤの内部抵抗を減少させる表面積を増加させ得る。
図５に例示されるように、正の電極層５０４と負の電極層５０８との間の界面は、セル区画内で平衡されない、または使用されずに、提供されてもよい。例えば、界面５１７および界面５１９は、同一極性を有する電極層間にあってもよい。特に、界面５１７は、正の電極層５０４の２つの平面表面間にあってもよく、界面５１９は、負の電極層５０８の２つの平面表面間にあってもよい。
個々の電極の縁は、比較的に鋭利であって、好ましくは、絶縁物質によって封止されない場合、隔離板を貫通してもよい。また、電極の縁は、基板の内縁に接触しないように、絶縁物質によって絶縁されてもよい。折畳み部の数の増加に伴って、個々のセルは、例えば、高密度点を制限するために、好ましくは、重さ、厚さ、および充填均一性において整合されるので、質の制御がより重要となる。
図６は、本発明のある実施形態による、２つのセル区画６２２ａ−ｂの積層６２０の構造の断面区画図を示す。図６は、例えば、「折り紙式」電極折畳み部を提供することによって、ＥＳＤの容量を増加させるための別のアプローチを例示する。例えば、図６に示されるように、セル区画６２２ａ−ｂは、活物質の各界面（例えば、界面６２１を参照）間に提供される電解質層とともに、正極活物質電極層６０４と、負極活物質電極層６０８とを含んでもよい。不透過性伝導性基板または集電体６０６ｃは、積層６２０の第１の端部であって、伝導性基板６０６ａは、積層６２０の第２の端部であってもよい。積層方向は、積層６２０の第１の端部から積層６２０の第２の端部への方向として、伝導性基板６０６ｃおよび６０６ａを使用して、画定されてもよい。引き続き、図６の積層された状態を参照すると、例えば、伝導性基板６０６ａおよび伝導性基板６０６ｂを含む、その間の構成要素は、セル区画６２２ａ内に含まれてもよい。同様に、伝導性基板６０６ｂおよび伝導性基板６０６ｃを含む、その間の構成要素は、セル区画６２２ｂ内に含まれてもよい。
折り紙式電極を提供することによって、所与のセル区画６２２ａ−ｂ内の正の電極層６０４と負の電極層６０８との間の界面（例えば、界面６２１）の数を実質的に増加させてもよい。例えば、セル区画６２２ａ内の正の電極層６０４と負の電極層６０８との間の界面の数は、各セル区画（例えば、図４のセル区画４２２ａを参照）内に単一界面のみを示す、図４のセル区画内の界面の数より多くてもよい。さらに、少なくとも、図５の界面の一部は、同一極性を有する電極層間にあるので（例えば、図５の界面５１７および５１９を参照）、図５の反対極性の電極層間の界面の数より多くてもよい。
図６に示されるように、例えば、界面６２１は、正の電極層６０４と負の電極層６０８との間にあってもよい。折り紙式電極実施形態の利点は、セル内の各界面が、反対極性の電極層間にあってもよいことであろう（すなわち、図５の界面５１７および５１９と異なり、同一極性を有する電極層間に界面が存在しない場合がある）。ＥＳＤ容量および電気化学的輸送特性は、例えば、反対極性の電極間の界面の数に依存し得る。折り紙式電極は、所与のセル内の反対極性の電極間の界面の数を増加させるため、この構成は、ＥＳＤの容量を実質的に増加させ得る。これは、セル区画内においてアノードをカソード界面面積まで増加させることによって、折り紙式電極折畳み部が、ＥＳＤ容量を増加させることを可能にし得る。
図７は、本発明のある実施形態による、折り紙式電極折畳み部７００の斜視図を示す。例えば、図７は、図６の折り紙式電極折畳み部の種々の区画のより詳細な斜視図であってもよい。例えば、図７に示されるように、正の活物質電極層７０４および負の活物質電極層７０８は、複数の平面区画と、折畳み部分とを含んでもよい。図７の折り紙式電極７００は、例えば、ＥＳＤのセル区画（例えば、図３のセル区画２２ｂ）内に提供されてもよい。
図８は、本発明のある実施形態による、図７の折り紙式電極折畳み部の側面立面図を示す。負の電極層７０８の第１の平面区画７５１ａは、上面表面７４２と、裏面表面７４４とを含んでもよい。第１の平面区画７５１ａは、第１の折畳み部分７５２ａによって、第２の平面区画７５１ｂに結合されてもよい。同様に、第２の平面区画７５１ｂは、第２の折畳み部分７５２ｂによって、第３の平面区画７５１ｃに結合されてもよい。対応する正の電極層７０４内に、類似数の平面区画および折畳み部分が存在してもよい。正の電極層７０４および負の電極層７０８のそれぞれに対して、３つの平面区画および２つの折畳み部分のみ示されるが、折畳み部分に結合される任意の好適な数の平面区画が提供されてもよいことを理解されるであろう。例えば、所望の容量を有するＥＳＤを提供するために、ＥＳＤのいくつかのセル内に好ましい数の界面が存在してもよい。
各電極層の平面区画は、ＥＳＤの積層方向に実質的に直角の平面に提供されてもよい。例えば、図７の各平面区画７５１ａ−ｃは、軸７４１によって画定されるＥＳＤの積層方向に直角の平面にあってもよい。
いくつかの実施形態では、平面区画は、任意の他の好適な方向に提供されてもよい。例えば、平面区画は、軸７４１によって画定される積層方向から半径方向外向きに面する平面に提供されてもよい（すなわち、平面区画は、積層方向に実質的に平行にあってもよい）。各界面が、反対極性を有する電極層間に存在し得る、任意の好適な数の可能な形状の電極層７０４および７０８が提供されてもよいことを理解されるであろう。例えば、図７および８の平面区画の断面積は、実質的に四角形として示されるが、平面区画は、円形、三角形、六角形、あるいは任意の他の所望の形状またはそれらの組み合わせであってもよい。
負の電極層７０８の上面表面７４２は、セル区画内に位置する第１の伝導性基板（例えば、図６の伝導性基板６０６ａを参照）に結合されてもよく、正の電極層７０４の裏面表面７４８は、同一セル区画内に位置する第２の伝導性基板（例えば、図６の伝導性基板６０６ｂを参照）に結合されてもよい。電極は、種々のアプローチを使用して、伝導性基板に接続されてもよい。ある実施形態では、電極層は、圧力接点を使用して、伝導性基板に結合されてもよい。例えば、バネ接点は、ハンダ付けせずに、電気接点を可能にし得る。ハンダ疲労を回避することによって、バネ接点は、衝撃、振動、および腐食に耐性を有し、例えば、比較的に高温循環を提供し得る。ハンダ層を省略することによって、例えば、導線接続と比較して、比較的に低抵抗が存在し得る。他の実施形態では、電極層は、伝導性基板にスポット溶接されるか、または焼結されてもよい。
図６−８に関連して上述のように、折り紙式電極は、セル区画内の正と負の電極層との間に、複数の界面を提供してもよい。例えば、負の電極層７０８の裏面表面７４４および正の電極層７０４の上面表面７４６は、図８の折り紙式電極の５つの界面のうちの１つであってもよい。セル区画内に任意の好適な数の界面が提供されてもよいことが理解されるであろう。
本発明のある実施形態では、正の活物質電極層（例えば、正の電極層７０４参照）および／または負の活物質電極層（例えば、負の電極層７０８参照）は、それぞれ、折り紙式電極の構造を作製するために、複数の折畳み部分で折り畳まれる単一の活物質電極シートを含んでもよい。類似アプローチを使用して、ｚ型折畳み電極または任意の他の好適な折畳み電極構成の構造を作製してもよい。代替として、いくつかの実施形態では、正の電極層および／または負の電極層は、共通集電器、または電子移動経路を抵抗し得る、本明細書において、「電子路」と称されるものに沿って提供される、１つ以上の電極を含んでもよい。
図９Ａおよび９Ｂは、本発明のある実施形態による、それぞれ、活物質電極層の構造の上面図および側面立面図を示す。例えば、図９Ａおよび９Ｂに示されるように、活物質電極層９０４は、電子移動経路としての役割を果たし得る共通集電器または電子路９０１に結合される、電極区画９０５ａ−ｃを含んでもよい。３つの例示的電極区画が、示されるが（すなわち、電極区画９０５ａ−ｃ）、任意の好適な数の電極区画が、電子路９０１に沿って提供されてもよいことを理解されるであろう。例えば、活物質電極層９０４は、ＥＳＤのための任意の好ましい設計基準に従って、１つ以上の電極区画を含んでもよい。
電極区画９０５ａ−ｃに結合されない電子路９０１の部分は、図９Ｃに示されるように、折畳み部分９５２ａおよび９５２ｂに折り畳まれ、折畳み電極を作製し得る。各電極区画９０５ａ−ｃは、例えば、折り紙式またはｚ型折畳み構成に折り畳まれると、活物質電極のそれぞれの平面区画に対応し得る。例えば、電極区画９０５ａは、平面区画９５１ａに対応し、電極区画９０５ｂは、平面区画９５１ｂに対応し、電極区画９０５ｃは、平面区画９５１ｃに対応し得る。
いくつかの実施形態では、隔離板は、活物質電極層間の電解質層内に提供されてもよい。例えば、隔離板は、正電極層（例えば、正電極層２０４を参照）とそれに隣接する負電極層（例えば、負電極層２０８を参照）とを電気的に分離する一方、電極ユニット間のイオン移動を可能にし得る。いくつかの実施形態では、隔離板は、代替として、または加えて、各電極区画（例えば、電極区画９０５ａ−ｃ）の周囲に提供されてもよい。例えば、隔離板外筒が、電極区画９０５ａの周囲に超音波溶接されてもよい。任意の他の好適な技法、または技法の組み合わせを使用して、電極区画９０５ａの周囲に隔離板外筒を嵌合および／または締結してもよい。
示されるように、電極区画９０５ａ−ｃはそれぞれ、同一極性（すなわち、正または負）であって、実質的に四角形断面を有してもよい。任意の好適な数の可能な形状の電極区画９０５ａ−ｃが、電子路９０１上に提供されてもよいことを理解されるであろう。例えば、図９Ａ−９Ｃの電極区画の断面積は、実質的に四角形として示されるが、円形、三角形、六角形、あるいは任意の他の所望の形状またはそれらの組み合わせであってもよい。
図１０Ａ−１０Ｃは、本発明のある実施形態による円形の電極区画を有する活物質電極層の構造を示す。図１０Ａ−１０Ｃに示されるように、例えば、活物質電極層１００４は、電子移動経路としての役割を果たし得る共通集電器または電子路１００１に結合される、電極区画１００５ａ−ｃを含んでもよい。活物質電極層１００４は、折り畳まれ、各電極区画１００５ａ−ｃは、折畳み電極のそれぞれの平面区画１０５１ａ−ｃに対応し、電極区画１００５ａ−ｃに結合されない電子路１００１の部分は、図１０Ｃに示されるように折畳み部分１０５２ａおよび１０５２ｂに折り畳まれ、折畳み電極を作製してもよい。
本発明の折り紙式電極は、ＥＳＤの電極間間隔を維持することに有用であろう。本明細書に定義されるように、「電極間間隔」とは、積層双極ＥＳＤ内の活物質電極層間の距離である。これは、例えば、１つの正と１つの負の電極のみを含有する、セル内の正と負の電極との間の距離に該当し得る。いくつかの実施形態では、これは、同一セル内に複数の電極集合または区画を有するセルに該当し得る。複数の電極または電極区画を有するセルの場合、複数の電極間間隔が存在してもよい。
折り紙式電極を有するＥＳＤが、積層方向または軸（例えば、図８の軸７４１参照）に沿って、拡張または収縮すると、所与の平面電極区画（例えば、図８の平面区画７５１ｂ）の変位は、ＥＳＤの電極間間隔の変化が、ＥＳＤの動作の際、積層軸に沿った電極の拡張および／または収縮の場合、比較的に最小となり得るように、折畳みの総数によって除された、総移動距離に関連し得る。可変体積の閉込めを使用するＥＳＤ内の電極間間隔の維持については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらの２０１０年１月２７日出願米国特許出願第１２／６９４，６３８号に詳述されている。
本発明の所与のＥＳＤのセル区画は、図１−１０に関連して上述の構成のいずれか、または任意の他の好適な構成、あるいはそれらの組み合わせの正および負の活物質電極層を含んでもよいことが理解されるであろう。例えば、図３のセル区画２２ａは、厚くされた電極構成を含んでもよく、セル区画２２ｂは、ｚ型折畳み電極構成を含んでもよく、セル区画２２ｃは、折り紙式電極折畳み構成を含んでもよい。
本発明の実施形態に従って、図１−１０に関連して上述の活物質電極層のいずれかを生成するための任意の好適な技法が使用されてもよい。
図１１は、本発明の実施形態による、活物質電極層を粉末充填するためのプロセスの例示的工程図１１００を示す。これは、概して、活性粉末を基板中に乾燥充填し、乾燥充填された粉末を湿潤剤によって湿潤し、乾燥充填された粉末をバインダ層によってオーバーコートするステップを伴ってもよい。
乾燥充填ステップ１１０２では、活物質電極粒子は、基板または伝導性マトリクス中に乾燥充填されてもよい。基板は、活物質を保持し得る任意の導電性であるマトリクスであってもよい。例えば、基板は、ニッケル発泡体であってもよい。
湿潤ステップ１１０４では、乾燥充填された粉末は、湿潤剤によって湿潤されて粘度を低減させ、伝導性マトリクスの表面から伝導性マトリクスの容積中への活物質の比較的に均一な移動を可能にし得る、実質的に均一な分布および表面勾配を確保してもよい。このステップは、表面勾配を低減させ、例えば、比較的に容易な活物質の伝導性マトリクス中への含浸を可能にし得る。活物質電極粒子は、伝導性マトリクス中に充填される前、または後、あるいはその両方において、湿潤剤によって湿潤されてもよいことを理解されるであろう。さらに、活物質電極粒子は、蒸留水、アルコール、または任意の他の好適な剤、あるいはそれらの任意の組み合わせ等、任意の好適な湿潤剤を使用して湿潤されてもよいことが理解されるであろう。
いくつかの実施形態では、伝導性マトリクスから実質的に溶出し得る湿潤剤が使用されてもよい。これによって、非反応性であり得る（例えば、ＥＳＤの電気性能に寄与しない）微粒子、および／またはＥＳＤの性能を劣化し得る微粒子が、基板混合物内に副産物として残らないことを確実にしてもよい。代替として、または加えて、湿潤剤は、焼失されてもよい。例えば、水、イソプロピルアルコール、エタノール、およびＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の溶媒、または任意の他の好適な剤、あるいはそれらの組み合わせが、ほとんどまたは実質的に全く残留物を残さないために、蒸発または焼失されてもよい。
いくつかの実施形態では、残留物要素が、伝導性マトリクスの性能を向上させる場合、湿潤剤の大部分を溶解または焼失させた後、残留物要素を残すことが望ましいであろう。これは、例えば、スラリー含浸プロセスを使用して、電極を調製する場合に有用であって、親水性バインダ（例えば、ＰＶＡ）を含む比較的低い粘度のスラリーを使用して、表面勾配を増加させ、電極の含浸を支援してもよい。バインダは、主に、含浸後、溶解または焼失されると、電極マトリクス内に活物質の機械的特性を向上させることに有用な少量のバインダ物質を残し得る水から成ってもよい。例えば、バインダ物質は、電極マトリクス内の適所に活物質を維持することに有用であり得る。循環の際、活物質は、体積を変化させ得、バインダ物質は、活物質が、電極マトリクスから押し出され、ＥＳＤの早期故障モードを生じさせることを防止することに有用となり得る。
オーバーコートステップ１１０６では、乾燥充填された活物質電極粒子が、伝導性マトリクスの表面上にバインダ層によってオーバーコートされてもよい。バインダ層の化学抵抗は、乾燥充填された粉末を適所に保持する一方、伝導性マトリクスの活物質へおよびそこからの電解質イオンの移動を実質的に可能にし得る。
バインダを使用して、例えば、別個の粒子をともに結合するか、または表面への接着を向上させてもよい。粒子が、基板または伝導性マトリクス上に塗着される前に、バインダが活物質電極粒子と混合される場合、活性表面は、実質的に非伝導性物質によってオーバーコートされてもよい。これは、潜在的に、伝導性を低減し、ＥＳＤの化学動態を減少させ得、所与のセル区画および／またはＥＳＤは、低下した電気および化学性能を有し得る。バインダが、使用されない場合、活物質電極粒子は、セル全体を通して、および隔離板を横切って自由に移動し、ＥＳＤ性能を妨害するか、またはさらにセルを破壊し得る深刻な短絡および／または微細な短絡を形成し得る。
いくつかの実施形態では、ニッケル発泡体は、正の電極層および負の電極層の両方（例えば、図７の正の電極層７０４および負の電極層７０８参照）のための伝導性マトリクスとして使用されてもよい。従来、ニッケル発泡体は、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）ＥＳＤのための正の水酸化ニッケルＮｉ（ＯＨ）２電極内で使用される。これは、正の物質の比較的低い伝導性によるためである。しかしながら、ニッケル発泡体は、正および負の電極の両方のために使用されてもよい。これは、それぞれの伝導性マトリクス内の接合を向上させ得る。
工程図１１００のステップは、例示にすぎないことを理解されたい。工程図１１００のステップのいずれも、本発明の範囲から逸脱することなく、修正、省略、または再配列されてもよく、ステップの２つ以上が組み合わせられてもよく、または任意の付加的ステップが追加されてもよい。
本発明の折り紙式電極の生成は、概して、活物質電極層を提供し、層を折畳むステップを伴ってもよい。
折り紙式電極折畳み部が、採用される場合（例えば、図７および８の折り紙式電極７００）、正および負の活物質電極層は、活物質のための支持構造として、可撓性基板または伝導性マトリクスを含んでもよい。いくつかの実施形態では、伝導性マトリクスは、ニッケル発泡体であってもよいが、しかしながら、また、任意の他の好適な可撓性および／または穿孔金属伝導性マトリクス、またはそれらの組み合わせも、活物質宿主物質として使用されてもよい。発泡体マトリクスは、発泡体の含浸および折畳みに先立って、折畳み部分で寸法設定されてもよい。これは、ニッケル発泡体の比較的に脆弱な物質特性に起因して、ニッケル発泡体が破砕することを実質的に防止し得る。
電極区画（例えば、図９Ｂの電極区画９０５ａ−ｃを参照）にタブを挿入するか、および／または電子路を付着することによって、上述のように、次に、絶縁隔離板を貫通し得る比較的に鋭利な縁を生成してもよい。例えば、ニッケル、ニッケルめっき銅、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼鉄、または任意の他の好適な物質、あるいはそれらの組み合わせを含む、セル内の電解質に耐性のある伝導性物質を使用して、次いで、折畳み電極積層を構成するように折り畳まれ得る連続的な電子路片の電極区画を付着させてもよい。個々の電極区画間の物質（例えば、電子路９０１）は、別個の電極区画に接触する、および／または同一電位（すなわち、正または負）の電極間の内部抵抗を最小にするように、寸法設定されてもよい。同一電位の電極区画を接続する物質は、例えば、折畳みによる破損を受けにくくし、それによって物質の縁における潜在的クリープ応力を実質的に防止するために、電極区画より比較的に高い機械的強度を有してもよい。
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６ａ−ｄ、１６、および３６）は、例えば、非穿孔性金属箔、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物質、銅およびアルミニウムを含むクラッド物質、ニッケルめっき鋼、ニッケルめっき銅、ニッケルめっきアルミニウム、金、銀、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意の好適な伝導性かつ不透過性あるいは実質的に不透過性の物質から形成されてもよい。各基板は、ある実施形態において、相互に接着する２つ以上の金属箔シートから作製されてもよい。各ＢＰＵの基板は、典型的には、０．０２５乃至５ミリメートルの厚さであってもよい一方、各ＭＰＵの基板は、０．０２５乃至１０ミリメートルの厚さであって、例えば、ＥＳＤに対する端子として作用してもよい。金属化発泡体は、例えば、セル区画の活物質間の抵抗が、電極を通して伝導性マトリクスを拡張することによって低減されるように、例えば、平坦金属膜または箔において、任意の適切な基板物質と組み合わせられてもよい。
これらの基板上に提供され、本発明の電極ユニットを形成する正電極層（例えば、正電極層４ａ−ｄおよび１４）は、例えば、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、亜鉛（Ｚｎ）、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の好適な活物質から形成されてもよい。正極活物質は、焼結されて含浸されるか、水性バインダでオーバーコートされて押圧されるか、有機バインダでオーバーコートされて押圧されるか、または伝導性マトリクス内に、他の支援化学物質とともに、正極活物質を含有する、任意の他の好適な方法によって、含有されてもよい。電極ユニットの正電極層は、例えば、膨張を低減するためにそのマトリクス内に注入される金属水素化物（ＭＨ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、他任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない粒子を有してもよい。これにより、例えば、サイクル寿命が増加し、再結合が改善され、セル区画内の圧力が低減し得る。また、ＭＨ等のこれらの粒子は、電極内の導電性を改善し、かつ再結合を支援するために、Ｎｉ（ＯＨ）２等の活物質ペーストの結合に存在してもよい。
これらの基板上に提供され、本発明の電極ユニットを形成する負電極層（例えば、負電極層８ａ−ｄおよび３８）は、例えば、ＭＨ、Ｃｄ、Ｍｎ、Ａｇ、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の好適な活物質から形成されてもよい。負極活物質は、例えば、焼結されるか、水性バインダでオーバーコートされて押圧されるか、有機バインダでオーバーコートされて押圧されるか、または伝導性マトリクス内に他の支援化学物質とともに、負極活物質を含有する任意の他の適切な方法によって含有されてもよい。負電極側は、例えば、構造を安定化させ、酸化を低減させ、サイクル寿命を延長させるように、負の電極物質マトリクス内に注入されるＮｉ、Ｚｎ、Ａｌ、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、化学物質を有してもよい。
有機カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）バインダ、クレイトンゴム、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、種々の好適なバインダは、例えば、層をそれらの基板に保持するように、活物質層と混合されてもよい。また、２００ｐｐｉの金属発泡体等の超静止バインダが、本発明の積層されたＥＳＤ構造と併用されてもよい。
本発明のいくつかの実施形態における活物質電極層を形成するために使用される共通集電体または電子路（例えば、電子路９０１ａ）は、例えば、非穿孔性金属箔、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物質、銅およびアルミニウムを含むクラッド物質、ニッケルめっき鋼、ニッケルめっき銅、ニッケルめっきアルミニウム、金、銀、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の好適な伝導性かつ不透過性あるいは実質的に不透過性の物質から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、各電子路は、相互に接着する２つ以上の金属箔シートから作製されてもよい。上述のように、電子路は、折畳み部からの負の応力効果に潜在的に耐性を有するために、比較的に高い機械的強度を有してもよい。
本発明のＥＳＤの各電解質層の隔離板は、その２つの隣接する電極ユニットを電気的に絶縁する一方、それらの電極ユニット間のイオン移動を可能にする任意の好適な物質から形成されてもよい。隔離板は、充填を改善し、かつサイクル寿命を増加させるために電解質容器として役割を果たすように、セルロース超吸収材を含有し、この場合、隔離板は、例えば、ポリ吸収おむつ用物質から作製されてもよい。それによって、隔離板は、電荷がＥＳＤに印加されると、以前に吸収された電解質を放出し得る。ある実施形態では、隔離板は、電極間間隔（ＩＥＳ）が、通常よりも大きい間隔から開始し、その寿命にわたって、ＥＳＤの容量（または、Ｃレート）を維持し、ならびにＥＳＤの寿命を延長するために、継続的に低減されるように、通常のセルよりも密度が小さく、厚くてもよい。
隔離板は、短絡を低減し、かつ再結合を改善するために、電極ユニット上の活性物質の表面に接合される物質よりも比較的薄くてもよい。この隔離板物質は、例えば、噴霧、オーバーコート、押圧、またはそれらの組み合わせであってもよい。隔離板は、ある実施形態では、そこに取り付けられる再結合剤を有し得る。この剤は、隔離板の構造内に注入される（例えば、これは、この剤を隔離板繊維に結合するために、ポリビニルアルコール（ＰＶＡまたはＰＶＯＨ）を使用して、湿式プロセスにおいて、本剤を物理的に捕捉することによって行なわれる、またはこの剤は、電気蒸着によって、その中に入れられ得る）か、あるいは、例えば、蒸着によって表面上に層状化されてもよい。隔離板は、例えば、Ｐｂ、Ａｇ、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、再結合を効果的に支援する任意の好適な物質または剤から作製されてもよい。セルの基板が相互に向かって移動する場合、隔離板は抵抗を示し得るが、偏向しない程度に十分堅い基板を利用し得る本発明のある実施形態では、隔離板は提供されなくてもよい。
本発明のＥＳＤの各電解質層の電解質は、溶解または融解時に、イオン化して導電性媒体を産生し得る、任意の好適な化学化合物から形成されてもよい。電解質は、例えば、ＮｉＭＨを含むが、これに限定されない任意の好適な化学物質の標準的な電解質であってもよい。電解質は、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）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない付加的化学物質を含有してもよい。また、電解質は、例えば、Ａｇ（ＯＨ）２等であるが、これに限定されない、再結合を改善するための添加剤も含有してもよい。また、電解質は、例えば、低温性能を改善するために、水酸化ルビジウム（ＲｂＯＨ）を含有してもよい。本発明のいくつかの実施形態では、電解質は、隔離板内で凍結され、次いで、ＥＳＤが完全に組み立てられた後に解凍されてもよい。これによって、ガスケットが、それに隣接する電極ユニットとの実質的な流体密を形成する前に、特に、粘着性電解質のＥＳＤの電極ユニット積層への挿入が可能になり得る。
本発明のＥＳＤの封止剤およびガスケット（例えば、ガスケット６０ａ−ｅ）は、ガスケットとそれに隣接する電極ユニットとによって画定される空間内に電解質を効果的に封止し得る、任意の好適な物質または物質の組み合わせから形成されてもよい。ある実施形態では、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、ＰＶＯＨ、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の好適な非伝導性物質から作製され得る、固体封止障壁またはループ、あるいは固体封止ループを形成可能な複数のループ部分から形成されてもよい。固体封止障壁から形成されるガスケットは、それらの間に封止を作成するために、隣接する電極の一部分に接触し得る。
代替として、ガスケットは、例えば、エポキシ樹脂、ブレアタール、電解質（例えば、ＫＯＨ）不透過性膠、圧縮性接着剤（例えば、シリコン、アクリル、および／または繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から形成され、かつ電解質に不透過性であり得る、Ｈｅｎｋｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手可能であるＬｏｃｔｉｔｅ（登録商標）銘柄の接着剤等の２つの部分から成るポリマー）、任意の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の好適な粘着性物質またはペーストから形成されてもよい。粘着性物質から形成されるガスケットは、隣接する電極の一部分に接触して、それらの間に封止を作成し得る。さらに他の実施形態では、ガスケットは、粘着性物質が、固体封止ループと隣接する電極ユニットとの間の封止を改善するように、固体封止ループと粘着性物質との組み合わせによって形成されてもよい。代替として、または加えて、電極ユニット自体は、固体封止ループ、付加的粘着性物質で処理された固体封止ループ、隣接する電極ユニット、または付加的粘着性物質で処理された隣接する電極ユニットが、例えば、そこに封止される前に粘着性物質によって処理されてもよい。
さらに、ある実施形態では、隣接する電極ユニット間のガスケットまたは封止材は、ある種類の流体（すなわち、ある液体または気体）をそこから漏出させ得る（例えば、そのガスケットによって画定されるセル区画内の内圧が、ある閾値を超えて増加する場合）１つ以上の脆弱点を具備し得る。ある量の流体が漏出するか、または内圧が減少すると脆弱点が再び封止されてもよい。ブレイ（ｂｒａｉ）等のある種類の好適な粘着性物質またはペーストによって少なくとも部分的に形成されるガスケットは、ある流体がそこを通って通過可能なように構成または調製され、そこを通る他のある流体の通過を防止するように構成および調製されてもよい。そのようなガスケットは、任意の電解質が、２つのセル区間の間で共有され、ＥＳＤの電圧およびエネルギーを急速にゼロにまで減退（すなわち、放電）させ得ることを防止してもよい。
上述のように、積層形成における封止されたセルによって設計されるＥＳＤ（例えば、双極ＥＳＤ５０）を利用する１つの利点は、ＥＳＤの放電率の増加であり得る。この放電率の増加によって、そうでなければ柱状ＥＳＤ設計または巻回ＥＳＤ設計では実現不可能であり得る低い腐食性の電解質の使用が可能になり得る（例えば、研磨、伝導性強化、および／または電解質の化学反応性の高い成分または複数の成分を除去または低減することによって）。低腐食性電解質を使用する積層ＥＳＤ設計によって提供され得るこの余地によって、より高い腐食性の電解質によって腐食され得るガスケットとの封止を形成する際に、あるエポキシ樹脂（例えば、Ｊ−Ｂ Ｗｅｌｄエポキシ樹脂）の利用が可能になる。
本発明のＥＳＤのケースまたは包体（例えば、ケース４０）は、それらの伝導性基板（例えば、基板１６および３６）またはそれらの関連導線（すなわち、導線１３および３３）を暴露するために、末端電極ユニット（例えば、ＭＰＵ１２および３２）に封止し得る任意の適切な非伝導性物質から形成されてもよい。また、包体は、それらのそれぞれのセル区画内の電解質を絶縁するために、ガスケットとそれに隣接する電極ユニットとの間の封止を作成、支持、および／または維持するために形成されてもよい。包体は、封止が、セル区画内の内圧の増加に伴って、ＥＳＤの拡張に抵抗し得るように、これらの封止に必要な支持を生成および／または維持してもよい。包体は、例えば、ナイロン、任意の他のポリマーまたは弾性物質（強化複合物質、ニトリルゴム、あるいはポリスルホンを含む）、もしくは収縮包着物質、またはエナメルオーバーコート鋼あるいは任意の他の金属等の任意の剛性物質、もしくは任意の絶縁物質、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意の好適な物質から作製されてもよい。ある実施形態では、包体は、例えば、積層セルの封止上に連続的な圧力を維持し得る張力クリップの外骨格によって形成されてもよい。非伝導性障壁は、ＥＳＤの短絡を防止するために、積層と包体との間に提供されてもよい。
引き続き図３を参照すると、例えば、本発明の双極ＥＳＤ５０は、ＭＰＵ１２および３２と、それらの間の１つ以上のＢＰＵ２ａ−ｄの積層により形成される、複数のセル区画（例えば、セル区画２２ａ−ｅ）と、を含んでもよい。本発明のある実施形態によると、基板（例えば、基板６ａ−ｄ、１６、および３６）、電極層（例えば、正の層４ａ−ｄおよび１４、ならびに負の層８ａ−ｄおよび３８）、電解質層（例えば、層１０ａ−ｅ）、およびガスケット（例えば、ガスケット６０ａ−ｅ）のそれぞれの厚さおよび物質は、セル区画毎だけでなく、特定のセル区画内でも相互に異なり得る。積層レベルだけでなく、個々のセルレベルにおける幾何学形状および化学的性質の本変動によって、種々の利点および性能特徴を備える、ＥＳＤが生成され得る。
加えて、基板、電極層、電解質層、およびガスケットの物質および幾何学形状は、セル区画からセル区画の積層の高さに沿って変化してもよい。さらに図３を参照すると、例えば、ＥＳＤ５０の電解質層１０ａ−ｅのそれぞれに使用される電解質は、そのそれぞれのセル区画２２ａ−ｅのセル区画の積層の中心に対する近接性に基づいて変化し得る。例えば、最も内側のセル区画２２ｃ（すなわち、ＥＳＤ５０における５つの区画２２の真ん中のセル区画）は、第１の電解質から形成される電解質層（すなわち、電解質層１０ｃ）を含んでもよい一方、真ん中のセル区画２２ｂおよび２２ｄ（すなわち、ＥＳＤ５０における末端セル区画に隣接するセル区画）は、第２の電解質からそれぞれ形成される電解質層（すなわち、それぞれ、電解質層１０ｂおよび１０ｄ）を含んでもよい一方、最も外側のセル区画２２ａおよび２２ｅ（すなわち、ＥＳＤ５０における最も外側のセル区画）は、第３の電解質からそれぞれ形成される電解質層（すなわち、それぞれ、電解質層１０ａおよび１０ｅ）を含んでもよい。内側積層においてより高い伝導性の電解質を使用することによって、発生する熱が少なくなるように抵抗が小さくなり得る。これは、外部冷却方法の代わりに、設計によって、ＥＳＤに熱制御を提供し得る。
別の実施例として、また、ＥＳＤ５０のセル区画のそれぞれにおいて電極層として使用される活物質は、そのそれぞれのセル区画２２ａ−ｅのセル区画の積層の中心に対する近接性に基づいて変化し得る。例えば、最も内側のセル区画２２ｃは、第１の温度および／またはレート性能を有する第１の種類の活物質から形成される電極層（すなわち、層８ｂおよび４ｃ）を含んでもよく、一方、真ん中のセル区画２２ｂおよび２２ｄは、第２の温度および／またはレート性能を有する第２の種類の活物質から形成される電極層（すなわち、層８ａ／４ｂおよび層８ｃ／４ｄ）を含んでもよく、一方、最も外側のセル区画２２ａおよび２２ｅは、第３の温度および／またはレート性能を有する第３の活物質から形成される電極層（すなわち、層３８／４ａおよび層８ｄ／１４）を含んでもよい。実施例として、ＥＳＤ積層は、熱をより良好に吸収し得る、ニッケルカドミウムの電極とともに、最も内側のセル区画を構築することによって、熱的に管理されてもよい一方、最も外側のセル区画は、例えば、冷却器である必要があり得る、ニッケル金属水素化物の電極を具備してもよい。代替として、ＥＳＤの化学的性質または幾何学形状は、非対称であってもよく、積層の一方の端部におけるセル区画は、第１の活物質および第１の高さから作製されてもよい一方、積層の他方の端部におけるセル区画は、第２の活物質および第２の高さを有してもよい。
さらに、また、ＥＳＤ５０のセル区画のそれぞれの幾何学形状も、セル区画の積層に沿って変化し得る。特定のセル区画内の活物質間の距離の変化に加え、あるセル区画２２ａ−ｅは、それらの区画の活物質の間に第１の距離を有してもよい一方、他のセル区画は、それらの区画の活物質の間に第２の距離を有してもよい。いずれにしても、活物質電極層間の距離が小さいセル区画またはその部分は、例えば、電力が高くてもよく、一方、活物質電極層間の距離が大きいセル区画またはその部分は、例えば、樹枝状結晶成長のためのより多くの空間、より長いサイクル寿命、および／またはより多くの電解質蓄積を有してもよい。活物質電極間の距離が大きいこれらの部分は、例えば、活物質電極層間の距離が小さい部分が最初に充電されることを確実にするように、ＥＳＤの充電受容を調節してもよい。
ある実施形態では、ＥＳＤ５０の電極層（例えば、図３の正の層４ａ−ｄおよび１４、ならびに負の層８ａ−８ｄおよび３８）の幾何学形状は、基板６ａ−ｄの半径方向長さに沿って変化してもよい。図３に関して、電極層は、均一厚であって、電極形状を中心として対称である。ある実施形態では、電極層は、不均一であってもよい。例えば、正極活物質電極層および負極活物質電極層の厚さは、伝導性基板の表面上の半径方向位置によって変化し得る。不均一な電極層については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらの米国特許出願第１２／２５８，８５４号に詳述されている。
積層ＥＳＤの上述および例示された実施形態はそれぞれ、電解質をその中に封止するために、第１および第２の電極ユニットのそれぞれに封止されるガスケットを含むセル区画を示すが、セル区画の各電極ユニットは、それ自体のガスケットに封止され、次いで、２つの隣接する電極のガスケットは、封止されたセル区画を生成するために、相互に封止されてもよいことに留意されたい。
ある実施形態では、ガスケットは、一緒に融合されて封止を生成するように、電極ユニットまたは別のガスケットに射出成形されてもよい。ある実施形態では、ガスケットは、ともに封止を形成するように、電極ユニットまたは別のガスケットに超音波で溶接されてもよい。他の実施形態では、ガスケットは、電極ユニットまたは別のガスケットに熱的に融合されるか、または熱流によって融合されてもよく、それによって、ガスケットまたは電極ユニットは、加熱されて他のガスケットまたは電極ユニットに溶解され得る。さらに、ある実施形態では、封止を作成するためにガスケットおよび／または電極ユニットの表面に溝状の部分を作成する代わりに、または作成することに加えて、ガスケットおよび／または電極ユニットが穿孔を有するか、またはその１つ以上の部分を通る１つ以上の孔を有してもよい。代替として、孔または通路または穿孔は、電極ユニットの一部分（例えば、基板）がガスケットにおよびガスケットを通って成形し得るように、ガスケットの一部分を通って提供されてもよい。さらに他の実施形態では、穴が、ガスケットおよび電極ユニットのそれぞれが、例えば、ガスケットおよび電極ユニットの他方までおよび他方を通って成形され得るように、ガスケットおよび電極ユニットの両方を通して作製されてもよい。
積層されたＥＳＤの上述および例示した実施形態のそれぞれは、実質的に円形の断面を有する基板を円筒状のＥＳＤに積層することによって形成されるＥＳＤを示すが、広範な形状のうちのいずれかを利用して、本発明の積層されたＥＳＤの基板を形成してもよいことに留意されたい。例えば、本発明の積層されたＥＳＤは、四角形、三角形、六角形、または任意の他の所望の形状、あるいはそれらの組み合わせである断面を有する基板を有する電極ユニットを積層することによって、形成されてもよい。
上述は、本発明の原理の例示にすぎず、種々の修正が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、当業者によって成され得ることを理解されるであろう。また、「水平」および「垂直」、「上部」および「底部」および「面」、「長さ」および「幅」および「高さ」および「厚さ」、「内側」および「外側」、「内部」および「外部」、ならびにその同等物等の種々の方向および配向に関する用語が、便宜のためだけに本明細書において使用され、決定的または絶対的な方向または配向に関する限定がこれらの単語の使用によって意図されないこととも理解されたい。例えば、本発明の機器ならびにその個々の構成要素は、任意の所望の配向を有してもよい。再配向される場合、異なる方向または配向に関する用語が、その説明において使用されることを必要とされ得るが、本発明の範囲および精神内にあるように、その基本的な性質を変更しない。当業者は、本発明が、限定目的ではなく例示目的で提示される上述の実施形態以外によって実践されてもよく、本発明が以下の請求項によってのみ限定されることを理解するであろう。

Claims (20)

  1. エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）であって、
    第１の伝導性基板と、
    積層方向に提供される第２の伝導性基板と、
    該第１の伝導性基板と該第２の伝導性基板との間に提供される第１の活物質と、
    該第１の伝導性基板と該第２の伝導性基板との間に提供される第２の活物質と
    を備え、該第１および第２の活物質の各々は、折り畳まれており、および、
    該積層方向に直角の複数の平面区画を備え、各平面区画は、折り畳まれた区画によって、隣接している平面区画に結合され、該第１の活物質のそれぞれの平面区画は、該第２の活物質のそれぞれの平面区画と接合している、ＥＳＤ。
  2. 前記第１の活物質は、正に帯電され、前記第２の活物質は、負に帯電される、請求項１に記載のＥＳＤ。
  3. 前記第１の活物質は、前記第１の伝導性基板に結合され、前記第２の活物質は、前記第２の伝導性基板に結合される、請求項１に記載のＥＳＤ。
  4. 前記第１の活物質および前記第２の活物質は、それぞれの該第１および第２の活物質のための支持構造として、可撓性の伝導性マトリクスを備える、請求項１に記載のＥＳＤ。
  5. 前記可撓性の伝導性マトリクスは、ニッケル金属発泡体である、請求項４に記載のＥＳＤ。
  6. 前記第１の活物質を前記第１の伝導性基板に接続する第１の圧力接点と、前記第２の活物質を前記第２の伝導性基板に接続する第２の圧力接点とをさらに備える、請求項１に記載のＥＳＤ。
  7. 前記第１の活物質および前記第２の活物質のうちの少なくとも１つは、折り畳まれることに先立って、それぞれの隔離板内に挿嵌される、請求項１に記載のＥＳＤ。
  8. 前記第１の活物質および前記第２の活物質の各界面に、電解質層をさらに備え、該電解質層は、隔離板と、電解質とを備える、請求項１に記載のＥＳＤ。
  9. 前記第１および第２の活物質のための前記複数の平面区画の各々において提供される電極区画をさらに備える、請求項１に記載のＥＳＤ。
  10. 前記電極区画は、円形の断面を有する、請求項９に記載のＥＳＤ。
  11. 前記電極区画は、長方形の断面を有する、請求項９に記載のＥＳＤ。
  12. 前記第１および第２の活物質の前記複数の平面区画と折畳み部分とは組み合わされて、電子の移動経路としての役割を果たすそれぞれの電子路を形成する、請求項１に記載のＥＳＤ。
  13. エネルギー貯蔵デバイスのための電極を粉末充填する方法であって、該方法は、
    活性粉末を基板中に乾燥充填することと、
    該基板の均一な分布および表面勾配を確保するために、該活性粉末を湿潤剤によって湿潤させることと、
    該活性粉末を該基板の表面上にバインダ層によってオーバーコートすることと
    を含む、方法。
  14. 前記バインダ層の化学抵抗は、前記活性粉末を適所に保持する一方、前記基板へおよび該基板からの電解質イオンの移動を可能にする、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記乾燥充填された粉末を湿潤させることは、前記基板の表面から該基板の容積中への活物質の移動を可能にする、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記湿潤剤を前記活性粉末から溶解させることをさらに備え、該湿潤剤は、該活性粉末内に残留物を残さない、請求項１３に記載の方法。
  17. 前記湿潤剤を前記活性粉末から溶解させることと、
    該活性粉末内に残留物要素を残すことであって、該残留物要素は、前記電極の電気特性に寄与する、ことと
    をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
  18. 前記残留物要素は、前記ＥＳＤの容量を増加させる、請求項１７に記載の方法。
  19. 共通集電器を提供することと、
    前記基板を該共通集電器に結合することと
    をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
  20. 前記共通集電器は、折り畳まれて折畳み電極を形成する、請求項１９に記載の方法。
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