JP2012521624A - 動作が改善されたバイポーラ電池 - Google Patents

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Abstract

第１の電子伝導性支持体（１１０）と、第２の電子伝導性支持体（１１２）と、第１の支持体（１１０）と第２の支持体（１１２）とを接続する電子伝導性接続部とを含む素子が装着された単位セル（Ｃ１、Ｃ２）を備えるバイポーラ電池であって、各支持体（１１０、１１２）が、他の支持体の第１および第２の面とは別個の第１および第２の面を備え、前記素子がまた、第１の支持体の面の１つに堆積された正電極材料（Ｐ１、Ｐ２）と、他の支持体の面の１つに堆積された負電極材料（Ｎ１、Ｎ２）とを備える。正電極材料（Ｐ１）は、第１の支持体（１１０）によって支持され、負電極材料と向かい合って配置され、負電極材料（Ｎ２）は、第２の支持体（１１２）によって支持され、正電極材料と向かい合って配置され、これら向かい合う電極材料は、電解質を含有する絶縁体で分離され、それによって、並置された２つのセル（Ｃ１、Ｃ２）が形成される。

Description

本発明は、動作が改善されたバイポーラ電池に関する。
例えばリチウム二次電池などの電池は、少なくとも１つの電極上でのリチウムの挿入および取出し（または挿入およびデインターカレーション）の原理で動作する。
これらの電池の構造には、いくつかの種類がある。
これらの構造の種類の１つにユニポーラ構造がある。正電極材料が第１のコレクタに配置され、負電極材料が第２のコレクタに配置される。これら２つの電極は、正電極と負電極が互いに向かい合うように重ね合わされ、セラミックまたは複合ポリマーのセパレータが２つの電極の間に挿入される。その電極表面、および素子の容量を増大させるために、コレクタを両面でコーティングすることがある。
このスタックは、米国特許出願公開第２００６／０１２１３４８号に記載されているように、円筒形の形状になるように巻くことができる。
これらのスタックのいくつかを、米国特許出願公開第２００８／００６０１８９号に記載されているように重ね合わせることができる。これらスタックは並列に接続される。
この種類の構造では、材料の大きな活性表面を提供し、したがって、高い発生電流密度を呈する。しかし、これらの構造の端子の電位差は、２つの電極材料の間の電位差までに制限される。
電池の端子の電圧を上げるために、別の構造が提案されている。この提案は、一方の面に正電極、もう一方の面に負電極を有するバイポーラコレクタを製作することからなり、こうして製作されたコレクタは重ね合わされ、電極の間にセパレータが配置される。次にスタックは、直列に接続された複数の電気化学セルを形成する。電池の端子の電圧は、各セルの端子の電圧の合計に等しくなる。したがって、この構造では、バイポーラ電池でその端子に高電圧を得ることが可能になる。この種類の構造は、例えば、国際公開第２００６／０６１６９６号に記載されている。
しかし、各セルの十分な動作を保証するには、電解質と正負の電極およびセパレータとの十分な接触がなければならず、またこの接触により活性面が画定される。さらに、各セルは封止されなければならない。そうするために、圧縮力がスタックに加えられる。この圧縮力は、スタックの各端部のコレクタに加えられる。しかし、この力は、封止接合部のクリープに依存するので経時的に決して一定ではない。さらに、スタックの各セルに均一な力を加えることを実現するのは複雑である。個別のセルの動作が変化するという危険がある。実際、それぞれのセルは、隣接するセルに対して反対圧力を発生する。その場合、一部のセルは、いくらか速く電位限界に達する可能性があり、その場合、電池は不完全に充電される。
加えて、このスタック構造では、その用途に適した組込みがいつも可能であるとは限らない。
米国特許出願公開第２００６／０１２１３４８号 米国特許出願公開第２００８／００６０１８９号 国際公開第２００６／０６１６９６号
したがって、本発明の１つの目的は、端子の電圧が高く、多数のセルの動作が一定のバイポーラ電池を提供することであり、より一般的には、動作が改善された、信頼性がより高い電池を提供することである。
上述の目的は、直列に接続された単位セルを並置することにより形成される構造によって達成され、この構造は、電子コレクタによって支持された負電極および正電極の形をそれぞれ成す素子を使用することによって得られ、所与のコレクタの正電極と負電極は、単位セルが素子のアセンブリによって製作される場合に、隣り合う単位セルが積み重ならないように互い違いに配置される。したがって、圧力をそれぞれのセルの電極に、他のセルとは別個に加えることができ、各セルは、隣接するセルによって加えられる反対方向力を受けない。その場合、すべてのセルの特性のバランスを大まかに取ることが可能である。さらに、封止材の製作が簡単になる。
言い換えると、電池の構造は、セルによって作用する背圧が隣接するセルに加わらないように開発される。この単位セルは、積み重ねによって製作されるのではなく、並置される。
さらに、本発明によって、形状を用途に適合させることができる電池を製作することが可能である。実際、ある程度の可撓性を有するコレクタを使用することが可能であり、それによって、セルを互いにかなり自由に配向することができる。
したがって、本発明の対象は主に、２つの単位セルを製作するためのバイポーラ電池用素子であって、第１の電子伝導性支持体と、第２の電子伝導性支持体と、第１の支持体と第２の支持体とを接続する電子伝導性接続部とを備え、各支持体は、他の支持体の第１および第２の面とは別個の第１および第２の面を有し、前記素子はまた、第１の支持体の面の１つに堆積された正電極材料と、他の支持体の面の１つに堆積された負電極材料とを備える。
有利な一実施形態では、正電極材料および負電極材料が上に堆積される面は、支持体によって形成される一般表面に対して反対側にある。
第１の支持体および第２の支持体は、有利には２つの平行平面内に配置される。
第１の支持体と、第２の支持体と、接続部とは、プレートから単一部品として製作することができる。
有利な例では、このプレートは、容易に成形ができるように薄くなっている。
第１の支持体および第２の支持体は、例えば、ニッケル、銅、アルミニウムまたはアルミニウム合金でできている。
本発明によるバイポーラ電池素子は、封止された炭素布地で形成することができ、例えば、ニッケル、銅またはアルミニウムの金属膜が、その布地の面の１つに堆積される。
正電極材料は、例えば、ＰＶＤＦタイプのポリマー結合剤と混合されたＬｉＦｅＰＯ４であり、負電極材料は、ＰＶＤＦタイプのポリマー結合剤と混合されたＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２である。
本発明によるバイポーラ電池素子は、注入によって製作される場合、接続部の領域に、例えばビアホールである貫通チャネルを備えることができる。
本発明の別の対象は、少なくとも１つの本発明による素子を備えるバイポーラ電池であって、第１の支持体によって支持された正電極材料は、負電極材料と向かい合って配置され、第２の支持体によって支持された負電極材料は、正電極材料と向かい合って配置され、向かい合う電極材料は、電解質を含有する絶縁体で分離され、それによって、並置された２つのセルが形成される。
バイポーラ電池は、少なくとも本発明による第１の素子および第２の素子を備えることができ、第１の素子の正電極材料は第２の素子の負電極材料と向かい合って配置され、第１の素子の負電極材料は第２の素子の正電極材料と向かい合って配置され、第２の素子の正電極材料は負電極材料と向かい合って配置され、電解質を含有する絶縁体は、並置された３つの単位セルを形成するように、向かい合う電極材料の対の間に配置される。
電気絶縁された接合部は単位セルを封止するように、向かい合う支持体の間に挿入することができ、電気絶縁膜は支持体の自由面を覆い、絶縁された接合部は、例えば、エラストマー、ラテックスまたは熱可塑性ゴムから作られる。
本発明によるバイポーラ電池は、所与の素子の支持体間の電子接続部の領域に追加膜厚を備えることができる。
本発明によるバイポーラ電池はまた、正電極材料、前記負電極材料および各単位セルに圧縮力が互いに加わるように、各単位セルに圧縮力を加えることができる圧縮手段を備えることができる。
これらの手段は、単位セルが導入される気密外被によって形成することができ、気密外被は、単位セルに圧縮力が加わるように真空になるまでポンプ排気される。
単位セルの気密性は、例えば熱可塑性ポリマーでできている接合部の注入によって得ることができ、それぞれのセルの圧縮は、例えば注入による、熱可塑性材料を用いたコーティングによって得られる。これらの場合に素子は、支持体間の接続部の領域にビアホール型の貫通チャネルを有する。
例示的な一実施形態では、単位セルは直線の細片の形で配置される。例えば、細片の一部分は伝導性軸の周りに巻き付けられ、細片の別の部分は別の伝導性軸の周りに巻き付けられ、巻き付けられたものに電気絶縁膜が挿入され、電池の端子の電圧が２つの伝導性軸の間の電圧になる。別の例では、両方の隣り合う単位セルは、積み重なるように互いに折り返され、隣り合う単位セルの間に電気絶縁膜が配置される。
隣り合う単位セルは、別々の方向に配向することができる。
これら単位セルは、三次元の構造を形成するように配向することができる。
本発明による電池は、直列に接続された単位セルのアセンブリの少なくとも２つを並列に接続して備えることができる。
本発明は、以下に続く本明細書および添付の図を用いてよりよく理解されるであろう。
本発明によるバイポーラ電池の例示的な実施形態の概略図である。 図１の電池の単位素子の図である。 図２Ａの素子の変形実施形態である。 図２Ｂの細部の上面図である。 正負の電極が同一のコレクタ面に製作されている、図２Ａの素子の実施形態の変形物の図である。 電子コレクタの両面にわたって分配された単位素子を使用する、本発明によるバイポーラ電池の別の例示的な実施形態の概略図である。 電子コレクタの一方の面にわたって分配された単位素子を使用するバイポーラ電池の別の例示的な実施形態の概略図である。 各セルに圧力を加える手段が装着された図３Ａの電池の図である。 第１のタイプの封止を用いて製作された図３の電池の図である。 第２のタイプの封止を用いて製作された図３の電池の図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。 本発明による電池に採用できる構成の概略図である。
図１で、本発明によるバイポーラ電池の第１の例示的な実施形態を見ることができ、図２Ａで、この電池の絶縁された素子を見ることができる。
本出願では、バイポーラ電極と称するのは２つの面を有する電子伝導性支持体であり、正電極および負電極をそれぞれ形成するように、一方の面が正の活性層で覆われ、他方の面が負の活性層で覆われる。
また「単位セル」と称するのは、電流コレクタで支持された正電極と、電解質セパレータと、別の電流コレクタで支持された負電極とによって形成されるアセンブリである。
これら同じ呼称は、同様な構造および機能を有する素子を示すために、本明細書全体を通して使用される。
図１で、電池２は、直列に接続された４つの単位セルＣ１〜Ｃ４によって形成されている。
正電極はＰで、負電極はＮで示され、各電極が属するセルを示す添え字が後に続く。セパレータはＳで示される。
単位セルＣ１は、正電極Ｐ１、負電極Ｎ１、および電極Ｐ１とＮ１の間に挿入されたセパレータＳ１を有する。
単位セルＣ２は、正電極Ｐ２、負電極Ｎ２、および電極Ｐ２とＮ２の間に挿入されたセパレータＳ２を有する。
単位セルＣ３は、正電極Ｐ３、負電極Ｎ３、および電極Ｐ３とＮ３の間に挿入されたセパレータＳ３を有する。
単位セルＣ４は、正電極Ｐ４、負電極Ｎ４、および電極Ｐ４とＮ４の間に挿入されたセパレータＳ４を有する。
正電極Ｐ１はユニポーラ電流コレクタ４の上に配置され、このコレクタは、電池が電力を供給するデバイス（図示せず）の端子に接続されるものである。負電極Ｎ４は、ユニポーラ電流コレクタ６の上に配置され、このコレクタは、電池が電力を供給するデバイス（図示せず）の別の端子に接続されるものである。
セルＣ１の負電極Ｎ１およびセルＣ２の正電極Ｐ２はそれぞれ、電子伝導体１０の面上に支持される。
セルＣ２の負電極Ｎ２およびセルＣ３の正電極Ｐ３はそれぞれ、電子伝導体１２の面上に支持される。
セルＣ３の負電極Ｎ３およびセルＣ４の正電極Ｐ４はそれぞれ、電子伝導体１４の面上に支持される。
本発明によれば、正電極Ｐ２と負電極Ｎ１、正電極Ｐ３と負電極Ｎ２、正電極Ｐ４と負電極Ｎ３は、それぞれ電子伝導体１０、１２、１４の上で、他の電極の上には配置されないように、すなわち、矢印Ｆの方向に見てセルの正電極と、同じ電子伝導体によって支持された隣接セルの負電極とが互いにかぶさらないように、互い違いにして配置される。
その結果、隣接する２つの単位セルは、積み重ならないで互い違いに配置されることになる。図示の例では、電池は階段の形状を有する。
図２Ａで、電子伝導体１０と電極Ｎ１およびＰ２によって形成されたバイポーラ電極Ｅ１を見ることができる。
図２Ｂおよび２Ｃで、変形物のバイポーラ電極Ｅ１’を見ることができ、この変形物は、本明細書の残りの部分で見るように、熱可塑性材料を挿入することによってこの構造の電池の製作を容易にするように電子伝導体１０’が、２つの電極Ｎ１、Ｐ２の間に位置する区域の両面を接続するチャネル１６を有することで区別がつく。このチャネルはビアホール型である。
図２Ｄでは、電極Ｎ１およびＰ２が同一の電子伝導体面の上にある。
図３Ａで本発明による電池の一実施形態の別の例を見ることができ、これには、おおよそ平坦な構造を有するという利点がある。
これを実現するために電子伝導体１１０、１１２は、段を形成するように形づくられている。各電子伝導体は、第１の平面に位置付けられた第１の区域と、第１の平面とおおよそ平行である第２の平面に位置付けられた第２の区域と、第１と第２の区域を接続する第３の区域とを有する。
各バイポーラ電極Ｅ１０１、Ｅ１０２は、第１の区域に電極Ｎ１、第２の区域にＰ２を有する。
バイポーラ電極Ｅ１０１、Ｅ１０２は、互いにはめ込まれる。
正電極材料を受け入れる面と負電極材料を受け入れる面との間の互い違いの配置は、平坦な構造を製作できるようになっている。電極材料を支持する伝導体を２つの面の間に互い違いに配置した高さは、正電極材料、負電極材料およびセパレータからなるスタックの厚さとおおよそ等しい。一例として、２０〜２５０μｍの厚さがある電子伝導体を形成するバイポーラプレート、２０μｍ〜１５０μｍの厚さがあるセパレータ、および３０μｍ〜３００μｍの厚さ、より詳細には８０μｍ〜１５０μｍの厚さがある電極、ならびに８０μｍ〜７５０μｍの高さで互い違いに配置することを選択することができる。伝導体によって形成される段の高さを考える場合、伝導体の厚さが考慮に入れられ、後者は、例えば０１ｍｍ〜１ｍｍの間である。
封止されたセル間バイポーラ接合部の可撓性を、例えば２０〜２５０μｍの間の厚さ、好ましくは２０〜１００μｍの間の厚さの、好ましくは金属でできている薄い電子伝導体を使用して得ることができる。
有利には、この電子伝導体は、単一部品から製作され、折曲げまたは引抜きによって形成される。
電子伝導体１０、１２、１４および１１０、１１４は、例えば、ニッケル、銅、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作ることができ、材料の選択は、電極ＮおよびＰを構成する材料との適合性に応じて行われる。密な炭素複合材料から形成される炭素複合物を使用することを想定することもまた可能であり、炭素複合物の上には、電極材料との電気化学的および化学的適合性を確保するために、その一方の面に（ニッケル、銅、またはアルミニウムの）金属膜が、電子伝導を生じさせるために、ＣＶＤ式またはＰＶＤ式の真空堆積処理、または電気メッキもしくは無電解析出によって堆積される。
図３Ｂは、図２Ｄの伝導体の構成が用いられる場合を示す。２つのセルの間で伝導体を折り重ねる必要がない。したがって、この手法により、厚さがより厚く可撓性が小さい電子伝導体を使用することが可能になる。
本発明により、単位セルを構成する多数の素子間の十分な接触を確保するために各単位セルに加えられる圧力は、隣接セルに背圧の影響を及ぼすことなく別個に制御することができる。
図４で、矢印１８で表された圧縮力を図１の電池の各単位セルに加える概略的に示された手段を見ることができる。例えば、各セルに対する圧縮は、電極の外面に配置された締付けプレートのユニット２０によってもたらされる。
特に有利な方法では、アセンブリは封止可撓性パケットの中に入れられ、このパケットは、少なくとも１つのポリエステルまたはナイロンの外側ポリマー層と、ポリマー膜の微小孔を制限するための金属（アルミニウム）膜と、ポリオレフィン類の第２のポリマー層とから形成された積層アセンブリからなる。この積層アセンブリは、電池の可撓性パケットとして一般に使用され、それによってガス耐性が確保され、熱封止ステップが可能になる。このような封止可撓性パケットを使用することにより、パケット内が真空になるまでポンプ排気することが可能になり、追加の圧縮システムを不要にするための十分な圧力がセルに加わることが保証される。このように真空になるまでポンプ排気することで、圧縮プレートを使用しないようにすることができる。
図５で、セル間の封止および外部環境に対する封止の第１の例示的な実施形態を、図３の構成を有する電池について見ることができる。
この第１の例示的な実施形態では、各単位セルは、その横の縁部に、電解質をセル内でセパレータＳ１、Ｓ２およびＳ３の中に閉じ込めるためのガスケット２２を備える。さらに、このガスケット２２により、電子伝導体の短絡を防止することが可能になる。
単位セルＣ１およびＣ３の場合、ガスケット２２が、電流コレクタ６と電子伝導体１１０、および電流コレクタ８と電子伝導体１１２のそれぞれの間でセルＣ１およびＣ３の全周にわたって延在する。
単位セルＣ２の場合、接合部２２が、電子伝導体１１０と電子伝導体１１２の間でセルＣ２の全周にわたって延在する。
接合部２２は、例えば、ＳＢＳ（登録商標）またはＫａｐｔｏｎ（登録商標）などのスチレン類の、ＥＰＤＭなどのエチレン−プロピレンファミリーのエラストマー、ラテックスなどのブタジエンスチレンファミリー、あるいは熱可塑性ゴムファミリー（ＴＰＥ）から成る。
この電池はまた、直列に接続されたすべての単位セルを覆う電気絶縁膜２４も有する。電池の接続端子だけが外装２４を横切る。
膜２４は、それぞれの電子伝導体の外面に付けられる接着膜タイプとすることができる。この膜があることにより、当然分かるように、折り重ねられたセルの構造の場合に特に、セル同士の短絡を防止することが可能になる。
さらに、単位セル間の接続部の領域に限定して追加の、好ましくは接着性の電気絶縁層２６を堆積することが有利である。層２６により、当然分かるように、変形する可能性がある接続部の領域においてより堅牢な封止が可能になる。
図６で、図３の電池の封止および電気絶縁の別の例示的な実施形態を見ることができる。
この別の例示的な実施形態では、注入技法が使用される。プラスチック注入によって製作される接合部１２２は、各セルの封止、および電子伝導体に対する圧縮の両方を行う。
注入される材料は、絶縁熱可塑性ポリマー膜（エチレン−プロピレンおよびエチレンノルボルネンブロックコポリマー）とすることができる。
その場合、電池アセンブリは、例えばＰＰ、ＰＥＨＤ、ＣＯＣ、ＰＭＭＡ、ＰＣ ＰＥＥＫ、またはＰＰＳ類の注入熱可塑性材料またはナノ材料２８とすることができ、これらは、ガラスまたは炭素繊維などのフィラ、あるいはカーボンナノチューブ、ナノクレイなどのナノフィラを含有することができる。この目的のために、電子伝導体は、図２Ｃに関連して示したものと同様に、接続領域に貫通チャネルを有する。
電子伝導体１１０、１１２の中の前に示したビアホール１６は、注入された材料を通過させる。この例示的な実施形態では、電池は固定された形状で製作が可能であり、このコーティングは外部の衝撃から電池を保護する。
各ビアホールは、例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍの間、好ましくは１ｍｍ〜２ｍｍの間の直径を有し、１ｍｍ〜２ｍｍ離れている。
この例示的な実施形態は、追加の圧縮装置を必要としないという利点を有し、電池に最終的な形状を与える。当然分かるように、本発明では、電池が多数の構成で成形されること、およびこれらの構成がコーティングによって固定されることが可能になる。電池には所望の形状が与えられ、この形状がコーティング時に固定される。両方の例示的な実施形態を、例えば第１の例による接合部を作り、注入によって電池をコーティングすることにより組み合わせることが考えられる。ポリマーの十分な注入を可能にするために、ビアホール区域が設けられなければならない。
本発明は、単位セル間の接続に関して大きな適応性を有する。すなわち、セルを互いにかなり自由に配向することが可能である。こうして得られた形状は、その後のコーティング時に固定される。
次に、本発明によるバイポーラ電極の例示的な実施形態を提示する。
タイプＰＶＤＦのポリマー結合剤と混合されたタイプＬｉＦｅＰＯ４の正電極材料がアルミニウム伝導体上に堆積され、この電極材料は、スプレーの形でコーティング、塗装、スクリーン印刷または堆積することができる。
次に、タイプＰＶＤＦのポリマー結合剤と混合されたタイプＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の負電極材料が、正電極に対して互い違いに配置された伝導体の反対面に堆積され、例えば、後者は、スプレーの形で堆積、コーティング、塗装またはスクリーン印刷することができる。
電極を堆積する前に、マスクを使用して電極表面を画定することができる。
マスクが使用されない場合は、余分な電極材料をかき落とすことによる、余分な電極材料を除去するステップがありうる。
電極はまた、電子伝導体の両面にスロットダイコーティングによる堆積物で製作することもでき、こうすることによりバイポーラ電極は、両電極面が互い違いに配置された状態で直接得ることが可能になる。スロットダイ法は、インクを射出するヘッドの位置の面に直交する方向に制御が可能なコーティング方法であり、堆積区域と堆積がない区域が画定されることになる（このステップでコーティングヘッドは基板と接触しない）。
次に、本発明の手段によって得ることができる構成の様々な例を説明する。
図７Ａおよび図７Ｂで、巻いた形態の本発明による電池を見ることができる。図７Ａでは、電池は４つのセルＣ１〜Ｃ４を有し、それぞれが隣接セルに対して直角に配置されている。
図７Ｂでは、電池は、相対的な向きが別々である５つのセルＣ１０１〜Ｃ１０５を有する。
図８Ａで、１つの面が開いた立方体を形成する単位セルのアセンブリの位置付けを見ることができる。これらの立方体は、本発明によるバイポーラセルによって互いに結合されている。
図８Ｂは、各単位セルが展開された形を示し、その伝導体の相対的位置付けにより、図８Ａの構造を三次元で製作することが可能になる。この電池は１０個の単位セルを有し、セルＣ３とＣ４は、Ｃ１〜Ｃ３と配向が異なっていることが分かる。この異なる配向は、セルＣ３とＣ４に共通の電子伝導体を、Ｃ２とＣ３に共通の電子伝導体に対して直角に配置することによって得られる。
したがって、本発明により電子伝導体を、稜線がある幾何形状を成すように配向することが可能である。すなわち、伝導体は必ずしも一列に並べられない。その結果、三次元の形状を製作することができる。さらに、電気絶縁材料を用いたコーティングまたは被覆により、ある単位セルが１つまたは複数の別の単位セルと確実に接触することが可能になる。
このような形状を製作することにより、工具内への電池組込みが可能になり、あるいは電気補助自転車などの小型乗り物において、例えばホイールハブ装着モータ内、またはモータ筐体内部への電池組込みを容易にすることが可能になる。
さらに、各単位セルは、とりわけ単一電解質セルだけを使用することによりある程度の可撓性を有し、したがって、図９Ａおよび図９Ｂで見ることができるような巻いたものを製作することが考えられる。その場合、現在の電池の形状に似ることがありうる。
図９Ａおよび図９Ｂで、プラスチック材料でコーティングされた２つのコイル状円筒を見ることができる。
バイポーラ電極は、前に説明したように製作される。次に、単位セルのアセンブリが、細片を形成するように製作される。次に、この細片は、電気絶縁可撓性膜を挿入することによって、図９Ａおよび図９Ｂに示されているように２つの導電性軸Ｘ１、Ｘ２の周りに巻き付けられる。この膜は、例えばＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、シリコーンポリアミド、ポリウレタン、パリレンまたはＰＥＴなどの電気絶縁可撓性ポリマーである。こうして生成される電池の端子の電位差は、２つの導電性軸の間の電位差である。アセンブリの形状は、前述のポリマーの注入によって固定することができる。
単位セル間の可撓性は、セルを互いに折り返して畳むのに十分なものとして、図１０Ａに示されているアコーディオン状スタックを形成することができる。
この構成により、圧力およびセル間の背圧の問題を回避しながら、最新技術と似ている積み重ねた構造物の製作が可能になる。
図１０Ｂで、折り重ねる前に単位セルが展開された形の例を見ることができる。
前述のように、折り重ねた形状を注入によって固定することが想定されうる。その場合、例えばＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、シリコーンポリアミド、ポリウレタン、パリレンまたはＰＥＴなどの電気絶縁ポリマーなど、絶縁シート３２をバイポーラセルそれぞれの間に有利に使用することが、注入時のセルの短絡を防止するために、またセル間圧力の制御を維持することを目的として可能である。
図１０Ｂに示したものでは単位セルは円板の形状であるが、他の任意の形状を想定することもできる。その形状は、ｎ個の面を有する多面体とすることができ、ここでｎは正の整数である。
図１０Ｂでセルは円板の形状であり、その結果として電子伝導体は、タブを形成する薄い接続領域３４によって接続された２つの円板の形を成す。この場合、タブの寸法は、電流が加えられたときに接続部の領域の構造が局部発熱することを防止するために、十分に大きく作られる。
所与の電流または所与の電圧を有する電池を製作するために、複数の組の単位セルを直列または並列に接続することもまた考えられる。
図１１Ａおよび図１１Ｂで、本発明による５つのスタック３４．１、３４．２、３４．３、３４．４、３４．５で構成され、コレクタ３６、３８によって並列に接続された電池を見ることができる。
図１１Ｃで、アコーディオンの形状にする前の展開されたスタック３４．１〜３４．５を見ることができる。
スタック３４．１〜３４．５は、図１０Ａのスタックの場合と同様に製作される。
図１１Ｄに電池の電気回路が図示されている。
図１２で、本発明による、ユニポーラ型の両方のスタックを備える電池の別の例示的な実施形態を見ることができ、これらのスタックは、米国特許出願公開第２００８／０６０１８９号の構成で示されているようにセパレータが挿入され、本発明による電子伝導体の手段によって直列に接続されている。
絶縁接合部４２が、隣り合う電子伝導体４０．１〜４０．３の各対の間に設けられる。
次に、本発明による、所与の電気特性を有する電池の例を示す。
一例では、電気ドリルに組み込まれる既知のタイプのＮｉ−Ｃｄ ９．６Ｖ、２Ａｈ電池に取って代わる電池セットを製作することが望まれている。
バイポーラ電極の製作には上記の方法例が使用され、１．９Ｖの電位を生成するＬｉＦｅＰＯ４／Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の対をその電極対とする。
９．６Ｖの電圧を得るために、各アセンブリは、１．９Ｖの電圧を端子にそれぞれ与える５つの単位セルを有する。これを実現するために、５つの単位セルの間で共有される４つのバイポーラ電極が製作され、各スタックの端部はユニポーラコレクタに接続される。
５つのアセンブリは、並列に接続されて所望の電流を供給する。
各アセンブリは、真空になるまでポンプ排気される熱封止可能な電気絶縁外被内に配置することができ、その中で正接続部および負接続部だけが、５つのアセンブルを並列に接続するコレクタと接続するために外被を横切る。所望の構成に応じて、各セルは互いに、アセンブリと同様に様々に配向することができる。
別の例では、出力部で２４Ｖまたは３６Ｖの電圧を供給し、自動車への組込みを可能にする電池を製作することが望まれている。
ＬｉＦｅＰＯ４／Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２電極材料は、図１１Ｃで示されているように、バイポーラアセンブリに組み込むことができる。
２４Ｖの公称電圧が必要なことに対処するために、直列で１３個の単位セルのアセンブリが製作される。次いで、これらのアセンブリが並列に接続される。
３６Ｖの公称電圧を得るには、直列で１９個の単位セルのアセンブリが製作される。次いで、これらのアセンブリが並列に接続される。
次に、アセンブリは、前述のようにアコーディオンの形に折り重ねられる。
上記の例示的な実施形態では、１つの素子の正電極および負電極は、向かい合わせの２つの面に配置される。しかし、これらの電極は、同じ面上に配置すること、または同じ側の２つの配向面上に配置することができることを理解されたい。
Ｃ１ 単位セル
Ｃ２ 単位セル
Ｃ３ 単位セル
Ｃ４ 単位セル
Ｅ１ バイポーラ電極
Ｅ１’ バイポーラ電極
Ｅ１０１ バイポーラ電極
Ｅ１０２ バイポーラ電極
Ｎ１ 負電極、負電極材料
Ｎ２ 負電極、負電極材料
Ｎ３ 負電極
Ｎ４ 負電極
Ｐ１ 正電極、正電極材料
Ｐ２ 正電極、正電極材料
Ｐ３ 正電極
Ｐ４ 正電極
Ｓ１ セパレータ
Ｓ２ セパレータ
Ｓ３ セパレータ
Ｓ４ セパレータ
Ｘ１ 導電性軸
Ｘ２ 導電性軸
２ 電池
４ ユニポーラ電流コレクタ
６ 電流コレクタ、ユニポーラ電流コレクタ
８ 電流コレクタ
１０ 電子伝導体
１０’ 電子伝導体
１２ 電子伝導体
１４ 電子伝導体
１６ チャネル、貫通チャネル
１８ 矢印
２０ 締付けプレートのユニット
２２ 接合部
２４ 電気絶縁膜、膜、外装
２６ 電気絶縁層、層
２８ 注入熱可塑性材料またはナノ材料
３４．１ スタック
３４．２ スタック
３４．３ スタック
３４．４ スタック
３４．５ スタック
３６ コレクタ
３８ コレクタ
１１０ 電子伝導体
１１２ 電子伝導体
１２２ 接合部

Claims (21)

  1. ２つの単位セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）を製作するためのバイポーラ電池用素子であって、第１の電子伝導性支持体（１０、１１０）と、第２の電子伝導性支持体（１２、１１２）と、前記第１の支持体（１０、１１０）と前記第２の支持体（１２、１１２）とを接続する電子伝導性接続部とを備え、各支持体（１０、１１０、１２、１１２）が、他の支持体の第１および第２の面とは別個の第１および第２の面を有し、前記素子がまた、前記第１の支持体の面の１つに堆積された正電極材料（Ｐ１、Ｐ２）と、前記他の支持体の面の１つに堆積された負電極材料（Ｎ１、Ｎ２）とを備え、前記第１の支持体（１０、１１０）と、前記第２の支持体（１２、１１２）と、前記接続部とがプレートから単一部品として製作され、前記プレートが、容易に成形ができるように薄くなっている、バイポーラ電池用素子。
  2. 前記正電極材料（Ｐ１、Ｐ２）および前記負電極材料（Ｎ１、Ｎ２）が上に配置される前記面が、前記支持体（１０、１１０、１２、１１２）によって形成される一般表面に対して反対側にある、請求項１に記載のバイポーラ電池用素子。
  3. 前記第１の支持体（１０、１１０）および前記第２の支持体（１２、１１２）が２つの平行平面内に配置される、請求項１または２に記載のバイポーラ電池用素子。
  4. 前記第１の支持体（１１０、１１２）および前記第２の支持体（１１０、１１２）が、ニッケル、銅、アルミニウムまたはアルミニウム合金でできている、請求項１から３に記載のバイポーラ電池用素子。
  5. 封止された炭素布地で形成され、例えば、ニッケル、銅またはアルミニウムの金属膜が前記布地の面の１つに堆積される、請求項１から４の一項に記載のバイポーラ電池用素子。
  6. 前記正電極材料（Ｐ１、Ｐ２）が、タイプＰＶＤＦのポリマー結合剤と混合されたＬｉＦｅＰＯ４であり、前記負電極材料（Ｎ１、Ｎ２）が、タイプＰＶＤＦのポリマー結合剤と混合されたＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２である、請求項１から５の一項に記載のバイポーラ電池用素子。
  7. 前記接続部の領域に、例えばビアホールである貫通チャネル（１６）を備える、請求項１から６の一項に記載のバイポーラ電池用素子。
  8. 少なくとも１つの、請求項１から７の一項に記載の素子を備えるバイポーラ電池であって、前記第１の支持体（１０、１１０）によって支持された正電極材料（Ｐ１）が負電極材料と向かい合って配置され、前記第２の支持体（１２）によって支持された負電極材料（Ｎ２）が正電極材料と向かい合って配置され、前記向かい合う電極材料が、電解質を含有する絶縁体で分離され、それによって、並置された２つの単位セル（Ｃ１、Ｃ２）が形成される、バイポーラ電池。
  9. 少なくとも、請求項１から８に記載の第１の素子および第２の素子を備える請求項８に記載のバイポーラ電池であって、前記第１の素子の前記正電極材料（Ｐ１）が前記第２の素子の負電極材料（Ｎ２）と向かい合って配置され、前記第１の素子の前記負電極材料（Ｎ１）が正電極材料と向かい合って配置され、前記第２の素子の前記正電極材料（Ｐ２）が負電極材料と向かい合って配置され、電解質を含有する絶縁体が、並置された３つの単位セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を形成するように、向かい合う電極材料の対の間に配置される、バイポーラ電池。
  10. 電気絶縁された接合部（２２）が、前記単位セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を封止するように前記向かい合う支持体の間に挿入され、電気絶縁膜（２４）が前記支持体の自由面を覆い、前記絶縁された接合部が、例えば、エラストマー、ラテックスまたは熱可塑性ゴムから作られる、請求項８または９に記載のバイポーラ電池。
  11. 所与の素子の支持体間の電子接続部の領域に追加膜厚（２６）を備える、請求項１０に記載のバイポーラ電池。
  12. 各単位セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の前記絶縁体、前記負電極材料および前記正電極材料に圧縮力が互いに加わるように、各単位セルに圧縮力を加えることができる圧縮手段（２０）を備える、請求項１１に記載のバイポーラ電池。
  13. 前記単位セルが導入される気密外被であって、前記単位セルに圧縮力が加わるように真空になるまでポンプ排気される気密外被を備える、請求項１０から１２の一項に記載のバイポーラ電池。
  14. 前記単位セルの封止が、例えば熱可塑性ポリマーでできている接合部（１２２）の注入によって得られ、セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）が、例えば注入による、熱可塑性材料を用いたコーティングによって圧縮される、請求項９または１０に記載のバイポーラ電池。
  15. 前記素子が、前記支持体間の接続部の領域にビアホール型の貫通チャネル（１６）を有する、請求項１４に記載のバイポーラ電池。
  16. 前記単位セルが直線の細片の形で配置される、請求項８から１５の一項に記載のバイポーラ電池。
  17. 前記細片の一部分が伝導性軸（Ｘ１）の周りに巻き付けられ、前記細片の別の部分が別の伝導性軸（Ｘ２）の周りに巻き付けられ、前記巻き付けられたものに電気絶縁膜が挿入され、電池の端子の電圧が前記２つの伝導性軸の間の電圧である、請求項１６に記載のバイポーラ電池。
  18. 隣り合う２つの単位セルが、積み重なるように互いに折り返され、前記隣り合う単位セルの間に電気絶縁膜が配置される、請求項１６に記載のバイポーラ電池。
  19. 隣り合う単位セルが別々の方向に配向される、請求項１から１５の一項に記載のバイポーラ電池。
  20. 前記単位セルが、三次元の構造を形成するように配向される、請求項１９に記載のバイポーラ電池。
  21. 直列に接続された単位セルのアセンブリの少なくとも２つを並列に接続して備える、請求項８から１５の一項に記載のバイポーラ電池。
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