JP2014519139A - エネルギー貯蔵デバイスのための積層および封止構成 - Google Patents
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Abstract
第1のサブスタックに連結される第1の側面と、第2のサブスタックに連結される第2の側面とを有する双極伝導性基板を含むエネルギー貯蔵デバイスが提供される。第1および第2のサブスタックは、複数の交互に積層された正および負の単極電極ユニットを有する。それぞれの単極電極ユニットは各々、伝導性経路の両側に第1および第2の活性材料電極層を有する。セパレータが、隣接する単極電極ユニットの間に提供される。正の単極電極ユニットの伝導性経路は、電子的に連結されて、正のタブ付き電流バスを形成し、負の単極電極ユニットの伝導性経路は、電子的に連結されて、負のタブ付き電流バスを形成する。第1のサブスタックの負のタブ付き電流バスおよび第2のサブスタックの正のタブ付き電流バスはそれぞれ、双極伝導性基板の第1および第2の側面に連結される。
Description
(関連出願の相互参照)
本願は、米国仮特許出願第61/481,059号(2011年4月29日出願)、および米国仮特許出願第61/481,067号(2011年4月29日出願)の利益を主張し、これらの両出願は、それぞれの全体が参照することによって本明細書に援用される。
本願は、米国仮特許出願第61/481,059号(2011年4月29日出願)、および米国仮特許出願第61/481,067号(2011年4月29日出願)の利益を主張し、これらの両出願は、それぞれの全体が参照することによって本明細書に援用される。
(背景)
エネルギー貯蔵デバイス(ESD)容量は、ESDによって貯蔵される電荷の尺度であり、ESDから抽出されることができる最大量のエネルギーのコンポーネントである。ESDの容量は、ESD内の電極の間の界面の数に関連し得る。電極の巻回および電極の折畳み等の技法は、電極の間の界面の数を増加させ得る。しかしながら、折り畳まれた電極および巻回された電極の製造は、電極を操作するための特殊技法を必要とするので困難である。加えて、折り畳まれた電極および巻回された電極は、平坦な電極と比較して、付加的な応力が電極の襞または屈曲部に存在し得るので、欠陥を生じやすい。
エネルギー貯蔵デバイス(ESD)容量は、ESDによって貯蔵される電荷の尺度であり、ESDから抽出されることができる最大量のエネルギーのコンポーネントである。ESDの容量は、ESD内の電極の間の界面の数に関連し得る。電極の巻回および電極の折畳み等の技法は、電極の間の界面の数を増加させ得る。しかしながら、折り畳まれた電極および巻回された電極の製造は、電極を操作するための特殊技法を必要とするので困難である。加えて、折り畳まれた電極および巻回された電極は、平坦な電極と比較して、付加的な応力が電極の襞または屈曲部に存在し得るので、欠陥を生じやすい。
前述に照らして、ある装置および方法が、積層されたESDの種々の積層および封止構成を含む積層されたエネルギーデバイス(ESD)のために提供される。
本開示のいくつかの側面によると、ESDに、第1のサブスタックに連結される第1の側面と、第2のサブスタックに連結される第2の側面とを有する双極伝導性基板が提供される。第1および第2のサブスタックは、複数の交互に積層された正および負の単極電極ユニットを含み、それぞれの単極電極ユニットは各々、伝導性経路の両側面上に第1の活性材料電極層および第2の活性材料電極層を備える。セパレータが、隣接する単極電極ユニットの間に提供される。正の単極電極ユニットの伝導性経路は、電子的に連結されて、正のタブ付き電流バスを形成し、負の単極電極ユニットの伝導性経路は、電子的に連結されて、負のタブ付き電流バスを形成する。第1のサブスタックの負のタブ付き電流バスは、双極伝導性基板の第1の側面に連結され、第2のサブスタックの正のタブ付き電流バスは、双極伝導性基板の第2の側面に連結される。
いくつかの実施形態では、伝導性経路は、穿孔を備える。穿孔は、相互から均一に離間されていてもよく、穿孔は、均一なように寸法設定されてもよい。第1および第2の活性材料電極層は、伝導性経路内の穿孔を介して相互に物理的に結合してもよい。いくつかの実施形態では、伝導性経路の表面積は、穿孔によって画定される面積に等しい。
いくつかの実施形態では、第1および第2の活性材料電極層は、その中に堆積されるそれぞれの活性材料を有する金属発泡体を備える。いくつかの実施形態では、第1および第2の活性材料電極層は、バインダを使用して伝導性経路に結合されたそれぞれの活性材料を備える。
いくつかの実施形態では、伝導性経路は、複数の伝導性フランジを備える。正のタブ付き電流バスは、正の単極電極ユニットの複数の伝導性フランジを含み、負のタブ付き電流バスは、負の単極電極ユニットの複数の伝導性フランジを含む。伝導性フランジは、それぞれの正および負のタブ付き電流バスを形成するように折り畳まれる。折り畳まれたタブは、積層方向に整列させられてもよく、タブ付き電流バスは、積層方向に平行であってもよい。
いくつかの実施形態では、正および負のタブ付き電流バスは、それぞれのタブ付き電流バスの一端において、積層方向から外向きに突出する電子接続タブを備える。第1のサブスタックの電子接続タブは、双極伝導性基板の周りで第2のサブスタックの電子タブと整列し、第1および第2のサブスタックの電子接続タブは、双極伝導性基板におよび相互に電子的に連結される。電子接続タブは、双極伝導性基板に平行に突出してもよい。
いくつかの実施形態では、電子接続タブは、サブスタックの側面を横断して、積層方向に垂直に延在する。いくつかの実施形態では、双極伝導性基板の第1および第2の側面は、第1および第2のサブスタックから外向きに延在し、外向きに延在している部分を形成し、第1および第2のサブスタックの電子接続タブは、双極伝導性基板の外向きに延在している部分に連結される。
いくつかの実施形態では、ESDは、双極伝導性基板を包囲し、外向きに延在している部分の付近に双極伝導性基板を第1および第2のサブスタックの電子接続タブに連結する硬質停止部を備える。硬質停止部は、封止リングを受容するための硬質停止部の外側リム内に周辺溝を含む。封止リングは、第1のサブスタックからの電解質が、第2のサブスタックからの電解質と統合することを防止する。硬質停止部は、第1および第2のサブスタックの電子接続タブを整列させ、双極伝導性基板に関して電子接続タブを相互に対して方向付ける複数の切り欠きを含んでもよい。
本開示のいくつかの側面によると、双極電極ユニットを含む、双極ESDが提供される。双極電極ユニットは、複数の交互する正および負の単極電極ユニットの第1のサブスタックを含み、各それぞれの単極電極ユニットは、第1の伝導性経路を備える。双極電極ユニットはまた、複数の交互する正および負の単極電極ユニットの第2のサブスタックを含み、各それぞれの単極電極ユニットは、第2の伝導性経路を備える。双極電極ユニットはまた、第1のサブスタックに連結される第1の側面および第2のサブスタックに連結される第2の側面を有する、双極伝導性基板を含む。いくつかの実施形態では、双極伝導性基板は、第1のサブスタックの交互する負の単極電極ユニットのための第1の伝導性経路に連結され、双極伝導性基板は、第2のサブスタックの交互する正の単極電極ユニットのための第2の伝導性経路に連結される。
本開示のいくつかの側面によると、ESDのためのサブスタックが、提供される。サブスタックは、正の端末単極電極ユニットと、負の端末単極電極ユニットと、正および負の端末単極電極ユニットの間に積層された複数の交互する正および負の単極電極ユニットとを備える。各それぞれの単極電極ユニットは、伝導性経路の両側に、第1の活性材料電極層および第2の活性材料電極層を含む。セパレータが、隣接する単極電極ユニットの間に提供される。サブスタックは、正または負の端末単極電極ユニットならびに交互する正および負の単極電極ユニットのそれぞれの正または負の伝導性経路を介して、双極伝導性基板と連結するように構成される。いくつかの実施形態では、正および負の端末単極電極ユニットは、交互する正および負の単極電極ユニットに向いた伝導性経路の側面に、活性材料電極層を有するそれぞれの伝導性経路を備える。
本開示の前述ならびに他の目的および利点は、同様の参照文字が、全体を通して、同様の部品を指す、付随の図面と併せて、以下の発明を実施するための形態を検討することによって、明白となるであろう。
ESDのための種々の積層および封止構成を含む、積層された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1−25を参照して、以下に説明される。本開示は、例えば、電気エネルギーまたは電流を貯蔵および/または提供し得るバッテリ、キャパシタ、任意の他の好適な電気化学エネルギーあるいは電力貯蔵デバイス、もしくは任意のそれらの組み合わせを含むESDに関する。本開示は、積層された双極ESDの文脈において、本明細書において説明されるが、論じられる概念は、限定されないが、平行プレート、角柱、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、または任意のそれらの組み合わせを含む任意のセルの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。
図1A−Bは、本開示のいくつかの実装による、例示的な単極電極ユニットまたはMPU102を示す。図1Aに示されるように、MPU102は、本明細書では、「電子配線管」とも称される同一の極性を有し、伝導性経路114の両側に設置される2つの活性材料電極層108a−bを含む。活性材料電極層108a−bは、金属発泡体が活性材料のための伝導性マトリクスを提供するように、アノードまたはカソード活性材料のいずれかによって、金属発泡体を含浸することによって作製されてもよい。例えば、図IBは、両方とも同一の活性材料でコーティングされ、伝導性経路114の両側に設置される2つの金属発泡体から形成され得る2つの活性材料電極層108a−bを有するMPUを示す。いくつかの実施形態では、活性材料電極層108a−bは、2つの層が伝導性経路114を介して相互に相互係止するように圧接されてもよい。伝導性経路114は、2つの活性金属電極層108a−bの間に狭入される。
アノードまたはカソード活性材料は、同一の極性を有する同一の材料または異なる材料であってもよい。使用される活性材料のタイプは、MPUの極性を決定する。例えば、アノード活性材料は、負のMPU内で使用されてもよく、カソード活性材料は、正のMPU内で使用されてもよい。ある実装では、アノードまたはカソード活性材料は、伝導性経路114上にコーティングされてもよい。例えば、活性材料として使用される材料のタイプおよび伝導性経路114のために使用される材料のタイプに応じて、適切なバインダ材料が、伝導性経路114上へ活性材料を保持するために使用されてもよい。
図2A−Dは、本開示のいくつかの実装による、例示的な伝導性経路202a−d、すなわち、「電子配線管」を示す。伝導性経路202a−dは、電流経路送達構造として作用する、伝導性基板である。図2A−Dに示されるように、伝導性経路202a−dは、108a−b等の活性材料電極層が、伝導性経路202a−dを通して、物理的に相互係止し、一緒に結合することを可能にする、穿孔208a−bを含有する。伝導性経路202a−d上の穿孔208a−bはまた、伝導性経路202a−dに類似する伝導性経路114を含み得るMPU114等のMPUのイオンおよび電子伝導率を補助してもよい。
伝導性経路202a−dの設計は、好ましくは、イオン伝導率、電子伝導率、および熱伝導率ニーズを平衡化する。理想的な伝導性経路202a−dは、完全イオン伝送および無制限の電流搬送能力を有するであろう。しかしながら、これらの2つの目的は、イオン伝導率が、概して、伝導性経路202a−d上の穿孔208a−bのサイズおよび数に関連する一方、電子伝導率が、概して、伝導性経路202a−dの総表面積(すなわち、穿孔208a−bを含まない)に関連するという点において平衡化される。特定の伝導性経路202a−dの穿孔パターンは、例えば、低電力ESDにより好適となり得る、穿孔パターンの開放面積を増加することによって、イオン伝導率に有利に働くように調整されてもよい。同様に、特定の伝導性経路202a−dの穿孔パターンは、例えば、高電力ESDより好適となり得る、電流搬送および放熱のために利用可能な金属の量を増加させることによって、電子伝導率に有利に働くように調整されてもよい。ESDの電力は、化学(イオン)および電気(電子)運動に関連し、所望のESDのタイプに基づいて平衡化される。
ある実装では、図2A−Bに示されるように、穿孔208a−bは、異なるサイズを有してもよく、および/または穿孔の数は、変動してもよい。例えば、図2Aは、複数の円形穿孔208bを有する伝導性経路202aを示す。図2Bは、伝導性経路202aの穿孔208aよりも比較的に小さい半径を有する円形穿孔208bを有する伝導性経路202aを示しているが、穿孔208bの数は、比較的により多い。穿孔パターンは、穿孔208a−bが相互に均一に離間されているという点において、均一に分散されてもよく、これは、伝導性経路202a−b全体を通して、実質的に、均一なイオン伝導率および電子伝導率を可能にし得る。穿孔の任意の好適な構成が、伝導性経路202a−dに対して使用されてもよく、穿孔は、長方形、円形、楕円形、三角形、六方晶、または任意の他の所望の形状、あるいは任意のそれらの組み合わせを含む、任意の好適な形状を有してもよい。ある実装では、穿孔の面積は、実質的に、伝導性経路202a−dの表面積に等しく、これは、イオン伝導率と電流搬送伝導性との間に好ましい平衡を提供し得る。
いくつかの実施形態では、伝導性フランジ212が、伝導性経路202a−dを中心として提供されてもよく、伝導性経路202a−dから半径方向外向きに突出してもよい。伝導性フランジ212は、伝導性フランジ212が伝導性経路202a−dの延在部であるので、電気接続をMPUに提供する。いくつかの実施形態では、フランジは、それぞれの伝導性経路と一体的に形成される。いくつかの実施形態では、フランジは、別個に形成され、次いで、それぞれの伝導性経路に連結される。伝導性フランジ212は、任意の好適な形状またはサイズを有してもよい一方、伝導性経路202a−dから外向きに延在するように構成される。例えば、伝導性フランジ212の断面領域は、実質的に、長方形、三角形、円形または楕円形、六方晶、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ってもよい。
図2C−Dに示されるように、例えば、伝導性フランジ212の数は、変動してもよい。図2Cでは、3つの伝導性フランジ212が、伝導性経路202cから半径方向外向きに突出するが、図2Dでは、伝導性経路202dから半径方向外向きに突出する、4つの伝導性フランジ212が、存在する。伝導性経路202a−dは、任意の好適な数の伝導性フランジ212を有してもよいことを理解されるであろう。フランジの数を増加させることは、MPU102へのより多くの電気接続が利用可能であって、効果的に、MPUへの接続の全体的抵抗を低減させるため、電気伝導性を増加させ得る。伝導性経路202a−dの厚さは、所望の抵抗に基づいて決定されてもよい。フランジ212の数を増加させることは、全体的抵抗を減少させるので、より薄い伝導性経路202a−dが使用されてもよい。
図3は、本開示のいくつかの実装による、複数のMPU308a−dおよび310a−dを含む例示的なサブスタック302の部分的分解図を示す。図3に示されるように、例えば、複数のMPU308a−dおよび310a−dは、積層方向に実質的に垂直に積層されて、サブスタック302を形成してもよい。スタック内のMPUは、伝導性経路114を含む、図1A−BのMPU102のものに類似する特性を有してもよい。1つのMPU308aの活性材料電極層が、セパレータ314を介して、隣接するMPU310bの活性材料電極層に対向させられ得るように、セパレータ314が隣接するMPU(例えば、MPU308aと310bと)の間に提供されてもよい。加えて、MPU308a上の活性材料の極性は、MPU308b上の活性材料の極性と異なる。サブスタック302のエネルギー貯蔵容量を増加させるために、または表面面積/容量比を増加させるために、複数のMPUが相互の上部に積層されてもよい。
各セパレータ314は、電解質を保持し得る電解質層を含んでもよい。電解質層は、異なる極性を有する隣接するMPUの活性材料電極層を電気的に分離し得、これは、隣接するMPU(例えば、MPU308aと310bと)の間の電気短絡を防止する一方、MPUの間のイオン移動を可能にし得る。同一の極性の伝導性経路の伝導性フランジ330a−bは、MPU308a−dの伝導性フランジ330bが、直接、相互を覆って整列させられように整列させられてもよい。同様に、MPU310a−dの伝導性フランジ330aも、整列させられてもよい。伝導性フランジ330a−bは、異なる極性の伝導性フランジ330a−bの間の距離が、実質的に等しく離間されているように整列させられてもよい。
図3の積層されたMPU310a−dおよび308a−dのサブスタック302を継続して参照すると、サブスタック内のMPUは、隣接するMPUを分離するセパレータ314を用いて積層されてもよい。例えば、MPU310a−dおよびMPU308a−dは、セパレータ314によって相互から分離される。図1BのMPU102と同様に、MPU308a−dおよび310a−dは、伝導性経路の両側に、同一の極性を有する2つの活性材料電極層を含む。しかしながら、いくつかの実施形態では、図3に示されるように、サブスタックの一端におけるMPU310aは、MPU310aの外側に向いた電極層380a上にコーティングされた活性材料を有していない。加えて、サブスタックの他端におけるMPU308dも、MPU308dの外側を向いた電極層380b上にコーティングされた活性材料を有していなくてもよい。活性材料でコーティングされていないMPU(例えば、MPU310aおよび308d)の電極層は、電極層上に金属発泡体を含んでもよい。代替として、ある実装では、サブスタックの一端において、MPU310aおよび308dの外側を向いた電極層380a−bは、その上にコーティングされた活性材料を有してもよい。次々に積層されたMPU310a−dおよび308a−dの極性は、交互する。サブスタックの一端におけるMPU(例えば、MPU308d)は、サブスタックの他端におけるMPU(例えば、MPU310a)と異なる極性を有する(例えば、活性材料電極層に基づいて)。
サブスタック302は、同一の極性のMPU310a−dおよび308a−dの伝導性フランジ330a−bを整列させるための整列レール340を有するジグ334を使用して構築されてもよい(例えば、MPU310a−dの伝導性フランジ330aが一緒に整列させられ、MPU308a−dの伝導性フランジ330が一緒に整列させられる)。例えば、図3に示されるように、各MPU310a−dおよび308a−d内の伝導性経路は、それぞれの伝導性経路の両側に、半径方向外向きに突出する2つの伝導性フランジ330a−bを有する。同一の極性のMPU(MPU310a−dまたはMPU308a−dのいずれか)に対応する伝導性フランジ330a−bは、相互を覆って整列させられる。伝導性フランジ330a−bは、MPU310a−dおよび308a−dならびに伝導性フランジ330a−bが、それらのそれぞれの整列レール340内にあるように設置される。
図4は、本開示のいくつかの実装による、複数のMPU406および410を含む例示的なサブスタック402を示す。サブスタック402は、ある極性の4つのMPU410および反対極性の4つのMPU406を有するように示される。線Vは、サブスタック402のMPU406の伝導性フランジ414を含む、サブスタック402の断面領域を示す。線IVは、サブスタック402のMPU410の伝導性フランジ416を含む、サブスタック402の断面領域を示す。
図5A−Bは、本開示のいくつかの実装による、複数のMPU406a−dおよび410a−dを含むサブスタック402の種々の断面図を示す。サブスタック402は、4つのMPU410a−dおよび4つのMPU406a−dを含みサブスタック402の一端におけるMPU410aは、サブスタック402の他端におけるMPU516dと異なる極性を有する。反対極性を有する活性材料電極層を有する隣接するMPU(例えば、530および538)は、セパレータ524によって分離される。
図5A−Bにおける横断面図のそれぞれにおいて、伝導性フランジは、交互するMPUから突出して示される。図5Aは、サブスタック402の一端から始端する、ある極性のMPU410a−dから突出する伝導性フランジ416を示し、交互するMPUは、外向きに突出する伝導性フランジを有する。同様に、図5Bは、サブスタック402の他端から始端し、MPU410a−dと反対極性を有するMPU406a−dから突出する伝導性フランジ414を示す。前述のように、MPU410aおよび406dの両端における電極層548および556はそれぞれ、その上にコーティングされた活性材料を有していなくてもよい。代替として、ある実装では、電極層548および556は、その上にコーティングされたそれぞれの活性材料を有してもよい。
図6は、本開示のいくつかの実装による、タブ付き電流バス606および612を有する例示的なサブスタック602を示す。同一の極性のMPUの伝導性フランジ(例えば、MPU410a−dの伝導性フランジ416、または異なる極性のMPU406a−dの伝導性フランジ414)は、一緒に電子的に連結され、タブ付き電流バス606および612を形成する。例えば、伝導性フランジは、それぞれの正および負のタブ付き電流バス606および612を形成するように折り畳まれる。タブ付き電流バス606および612は、例えば、サブスタックを一緒に連結するために、他のサブスタックからのタブ付き電流バスに電気的に連結され得る、伝導性構造を提供する。各MPUは、複数の伝導性フランジ(例えば、伝導性経路202c−dに関して説明される伝導性フランジ)を有し得るため、各一組の伝導性フランジに対して、複数のタブ付き電流バス606または612が存在してもよい。1つ以上の伝導性経路の伝導性フランジは、折畳み、圧着、溶接、はんだ付け、接合、リベット留め、ボルト締め、電気連結を提供する任意の他の好適な手段、または任意のそれらの組み合わせによって、一緒に電子的に連結され、タブ付き電流バス606および612を形成してもよい。
図6に示されるように、各タブ付き電流バス606または612は、サブスタック602の端部620a、620bに提供されてもよく、本明細書では、「電子接続タブ」とも称されるタブ付き電流バス606または612の部分640および642は、サブスタック602から外向きに突出する。一方の極性のタブ付き電流バス606は、サブスタック602の一端620aから外向きに突出し、反対極性のタブ付き電流バス612は、サブスタック602の他端620bから外向きに突出する。タブ付き電流バス606および612は、積層方向および積層方向に平行に整列させられるように、折り畳まれててもよい。電子接続タブ640および642は、サブスタック602の側面(例えば、側面680)を横断して延在し、積層方向に垂直であってもよい。
図7A−Bは、本開示のいくつかの実装による、タブ付き電流バス606および612を有する例示的なサブスタック602の断面図を示す。図7Aは、図6の線VIIによって示されるサブスタック602の断面領域を示す。MPU714a−dの伝導性フランジ708は、サブスタックの一端に折り畳まれ、一緒に連結されて、タブ付き電流バス606を形成する。タブ付き電流バス606の一部である電子接続タブ642は、サブスタック602の上端620aから半径方向外向きに突出する。図7Bは、図6の線VIIIによって示されるサブスタック602の断面領域を示す。MPU718a−dの伝導性フランジ744は、サブスタックの第2の端部に折り畳まれ、一緒に連結されて、タブ付き電流バス612を形成する。タブ付き電流バス612の一部である電子接続タブ640は、サブスタック602の底端620bから半径方向外向きに突出する。
図8A−Cは、本開示のいくつかの実装による、伝導性フランジを電子的に連結するための種々の技法を描写する。図8Aは、それらを一緒に連結するために、垂直に折り畳まれた各極性の伝導性フランジ(例えば、一方の極性の伝導性フランジ824および異なる極性の伝導性フランジ820)を示す。伝導性フランジは、折り畳まれる、一緒に圧接される、または溶接され、任意の好適な方法において、タブ付き電流バス830または836を形成してもよい。相互の上部に整列させられる同一の極性のMPUの伝導性フランジ824または820は、電子的に一緒に連結され、電子接続タブは、サブスタック802のそれぞれの端部に提供されてもよい。いくつかの実装では、伝導性部材848は、伝導性フランジの間に設置され、伝導性フランジに溶接され、同一の極性の伝導性フランジを電気的に一緒に連結してもよい。
図8Bは、サブスタックの伝導性フランジ(例えば、図4のサブスタック402の伝導性フランジ414または416)を電子的に連結して、タブ付き電流バス(例えば、タブ付き電流バス606または612)を形成するために使用され得る圧着装置850を示す。サブスタックは、圧着装置850の上半分858が閉鎖され、圧着装置850の下半分852と合体されると、同一の極性の伝導性フランジが一緒に圧着されるように、圧着装置850内に設置されてもよい。一方の極性のMPUは、圧着溝866内で第1の方向に圧着される一方、反対極性のMPUの伝導性フランジは、圧着溝862内で第2の方向に圧着される。実施例として、圧着装置850を使用することによって、サブスタック402は、サブスタック602のように圧着され、電流タブ付きバス606および612は折り畳まれ、サブスタック602の異なる端部から突出し得る。
図8Cは、伝導性フランジ874(例えば、サブスタック402の伝導性フランジ414または416)を一緒に電子的に連結し、タブ付き電流バス(例えば、タブ付き電流バス606または612)を形成するために使用され得る、電子伝導性であるクリップ870を示す。同一の極性のMPU(例えば、サブスタック402の伝導性フランジ414または416)に対する一組の伝導性フランジ874が電子伝導性のクリップ870の中へ挿入され、次いで、クリップ870は、圧縮され、サブスタック602のそれぞれの端部に電子接続を提供する。伝導性クリップ870は、タブ付き電流バスの中へ折り畳まれおよび圧縮される前に、伝導性フランジ874と、随意に、電子接続タブの整列を提供する。伝導性クリップ870は、ワッフル状構造を有し、伝導性クリップ870の比較的に容易な圧縮を可能にする一方、依然として、伝導性フランジ874が、圧縮の間、適所に整列および保持されるための十分な構造を提供する。しかしながら、伝導性クリップ870は、伝導性クリップ870が圧縮され、それによって、タブ付き電流バスを形成することを可能にする任意の好適な構造を有してもよい。
図9は、本開示のいくつかの実装による、例示的なサブスタック902a−bおよび双極伝導性基板908の部分的分解図を示す。2つのサブスタック902aおよび902bは、その間に設置された双極伝導性基板とともに示される。サブスタック902aおよび902bは、サブスタック602に類似する要素を含み、MPU714a−dおよび718a−d等のMPUと、タブ付き電流バス606および612と、電子接続タブ640および642とを含む。各サブスタックのタブ付き電流バス930および936は、それらのそれぞれの端部に突出する電子接続タブ938および940とともに、サブスタックの異なる端部に折り畳まれて示される。各サブスタックのタブ付き電流バス930および936は、サブスタックの積層方向に平行であるように、折り畳まれてもよい。
サブスタック902a−bの間にあるのは、双極伝導性基板908である。ある実装では、双極伝導性基板908は、隣接するサブスタックの両端(例えば、サブスタック902aの第2の端部924bおよびサブスタック902bの第1の端部924a)において、タブ付き電流バスの間の電気接続を形成する、コーティングされていない金属表面であってもよい。双極伝導性基板908は、実質的に不浸透性であり、サブスタック902a−bの間の電解質イオン移動を防止する。双極伝導性基板908の領域は、サブスタック902a−bのそれぞれの端部を被覆し、サブスタック902a−bから突出する電子接続タブ940および930に重複する。電子接続タブ940および930は、電子接続タブ940および930に重複する双極伝導性基板908の外向きに延在している部分に連結されてもよい。ある実装では、双極伝導性基板908は、電子接続タブ940および930より遠くに延在してもよい。
実施例として、双極伝導性基板908は、円形の幾何学形状であり、サブスタック902a−bと、サブスタック902a−bから突出する電子接続タブ938および940の半径と実質的に等しい半径を有してもよい。ある実施形態では、双極伝導性基板908の半径は、電子接続タブ938および940を含むサブスタック902a−bの半径よりも比較的大きくてもよい。この付加的な長さは、双極伝導性基板908が、電子接続タブ938および940を越えて延在することを確実にし得る。この重複は、基板908が、基板の間の電解質の移動を防止することを支援をし得る。実質的に円筒形の幾何学形状を有するように示されているが、双極伝導性基板908は、サブスタック902a−bのそれぞれの端部924aおよび924bを被覆し、ESDケーシング内に設置されると、隣接するサブスタックの間の電解質の移動を防止する(例えば、サブスタック902aからの電解質が、サブスタック902b内に漏出しないように、およびその逆を防止する)任意の好適な幾何学形状を有してもよい。
図9に示されるように、サブスタック902aは、サブスタック902bの上方に整列させられる。一方の極性のMPUの伝導性経路に連結されるサブスタック902aの第2の端部924bにおける電子接続タブ940は、反対極性のMPUの伝導性経路に連結されるサブスタック902bの第1の端部924aにおける電子接続タブ930と整列させられる。双極伝導性基板908は、2つのサブスタック902a−bの間および電子接続タブ930と940との間に配置される。各サブスタック902a−bは、一方の極性の伝導性経路に接続されたサブスタック902aの一端924bを中心とした電子接続タブ940が、反対極性の伝導性経路に接続された別のサブスタック902bの反対端924aを中心とした電子接続タブ930と整列させられるように、整列させられる。
実施例として、サブスタック902aの第2の端部924bおよびサブスタック902bの第1の端部924aは、双極伝導性基板908の第1の側面980aおよび第2の側面980bに連結される。各サブスタックは、複数の交互に積層された正および負のMPUを含み、その間にセパレータを伴う。各サブスタックの正のMPUの伝導性経路は、複数の伝導性フランジを有してもよい。各正のMPUの伝導性フランジは、他の正のMPUの伝導性フランジと整列させられる。相互を覆って整列させられる、伝導性フランジは、正のタブ付き電流バス930の端部から外向きに突出するタブ付き電流バスの一部である、またはそこに連結され得る、正のタブ付き電流バス930を形成するために、電子接続タブ938と連結されてもよい(例えば、折り畳まれる)。正のタブ付き電流バス930は、各サブスタックの一端924aに折り畳まれる。同様に、各サブスタックの負のMPUの伝導性経路は、正のMPU同様に、連結(例えば、折畳み)される、複数の伝導性フランジを有してもよい。負のMPUに連結される負のタブ付き電流バス936および負の電子接続タブ940は、各サブスタックの正のMPUのタブ付き電流バス930から、反対端924bに折り畳まれる。負の電子接続タブ940、ひいては、負のタブ付き電流バス936は、双極伝導性基板908の1つの側面980aに連結され、正の電子接続タブ938、ひいては、正のタブ付き電流バス930は、双極伝導性基板908の他の側面980bに連結される。
図10は、本開示のいくつかの実装によると、硬質停止部1018を有する、例示的なサブスタック1008a−bを示す。2つのサブスタック1008a−bが、図10に示されており、可視ではない双極伝導性基板は、2つのサブスタック1008a−bの間に配置されている。サブスタック1008a−bは、サブスタック1008a−b内のMPUによって画定される平面に垂直である方向に積層される。2つのサブスタック1008a−bを囲んでいるのは、硬質停止部1018であって、これらは、2つのサブスタック1008a−bを一緒に保持し、隣接するサブスタック1008aおよび1008bの電子接続タブとの間の接触増強を提供することを支援をする(例えば、電子接続タブ1024は、電子接続タブ1030との増強接点1050を有してもよい)。増強接点1050は、電子接続タブ(例えば、タブ1024と1030)の間に比較的により高い伝導性接続を生成する。例えば、増強接点1050は、サブスタック1008aからの一方の極性の電子接続タブ1024が、直接、隣接するサブスタック1008bからの反対極性の電子接続タブ1030に電気的に連結されるように、伝導性基板を介してサブスタック1008a−bを接続することによって生成されてもよい。直接電気リンクは、隣接するサブスタック1008a−bの電子接続タブ1024および1030を電気的にリンクする溶接、ボルト、ネジ、リベット、または任意の他の手段、あるいは任意のそれらの組み合わせを使用して達成されてもよい。電子リンクは、2つの電子接続タブ1024と1030との間に電子のための平行経路を提供し、一方の極性のMPUが、双極伝導性基板を介して反対極性のMPUにリンクされるので、双極バッテリ構成の直接電気リンクに類似している。
一方のサブスタック1008aの電解質が、別のサブスタック1008bの電解質と統合することを防止するために、硬質停止部1018は、隣接するサブスタック1008a−bの端部1034a−bおよび2つの隣接するサブスタック1008a−bの間の双極伝導性基板(図10においては可視ではない)の周りに提供されてもよい。硬質停止部1018は、実質的に、電解質(例えば、1008A内または1008B内の電解質)をその特定のサブスタック内に封止してもよい。
硬質停止部1018は、硬質停止部1018の周縁付近に、実質的に電解質が隣接するサブスタック1008a−bの電解質と統合することを防止する封止リング1044を含み、サブスタック1008a−bの間に封止障壁を提供してもよい。封止リング1044は、ESDケーシングの壁と硬質停止部1018との間に封止を生成する。
図11A−Bは、本開示のいくつかの実装による、例示的な硬質停止部1102a−bの斜視図を示す。図11Aでは、硬質停止部1102aは、第1の連続区画1108および第2の連続区画1114を含む。第1の区画1108および第2の区画1114は、それらが界面接触するように構成される、電子接続タブ(例えば、図10のサブスタック1008a−bの電子接続タブ1024および1030)の形状に切り欠き1120を有する。これは、硬質停止部1102aが、ESDの構築の間に、1008a−b等のサブスタックの付近に設置されることを可能にする。切り欠き1120が、電子接続タブ(例えば、1024および1030)の形状であるので、切り欠き1120は、硬質停止部1102aが、隣接するサブスタックの隣接する端部(例えば、サブスタック1008aおよび1008bの端部1034aおよび1034b)を覆って設置されることを可能にする(そうでなければ、サブスタックの端部を覆う硬質停止部1102aの場所に緩衝し得る)。第1の連続区画1108および第2の連続区画1114は、双極伝導性基板のそれぞれの側面に一緒に圧着される。第1および第2の区画1108および1114は、区画を一緒にしっかりと締結するためのボルト締め、溶接、または任意の他の好適な技法、あるいは任意のそれらの組み合わせによって、双極伝導性基板を介して一緒に固着されてもよい。硬質停止部1102aの外側リム1140は、封止リング1150が、溝内に設置されることを可能にするように溝が付けられてもよい。第1の区画1108および第2の区画1114は、封止リング1150が、硬質停止部1102aの区画の間に嵌合されることを可能にするように、相互に溝がつけられてもよい。ある実装では、硬質停止部1102aの各区画1108および1114は、その独自の封止リング1150に嵌合するための溝を含んでもよい。例えば、各硬質停止部区画1108および1114は、硬質停止部区画1108および1114の外側リム1140のそれぞれ上にその独自のそれぞれの封止リング1150を有してもよい。
ある実装では、硬質停止部1102aは、双極伝導性基板に向いている硬質停止部1018の側面に、硬質停止部1102aの内側リム1160上に棚を含んでもよい。棚は、サブスタックの間の双極伝導性基板の周囲に嵌合することによって、硬質停止部1102aをサブスタックと整列させてもよい。
図11Bでは、硬質停止部1102bは、連続区画の代わりに、複数の分断された区域に分離されてもよい。硬質停止部1102bは、複数の区域、例えば、硬質停止部区域1192aおよび1192bに分割され、一緒に継合されると、連続硬質停止部1102bを形成する。硬質停止部区域1192a−bは、一緒にしっかりと継合され、隣接するサブスタックの電解質が統合することを防止する封止を生成する。区域は、区画を一緒にしっかりと締結するボルト締め、溶接、または任意の手段によって、一緒に固着されてもよい。硬質停止部1102bは、一緒に握着し、連続硬質停止部を形成する、任意の数の区域に分割されてもよい。硬質停止部1102bは、電子接続タブを囲繞する、電子接続タブの形状(例えば、電子接続タブ1024および1030の形状)にある切り欠き1192を含んでもよい。硬質停止部1102bの各区域1192a−bの外側リムは、封止リングが、溝内に設置されることを可能にするように、溝が付けられてもよい。複数の溝は、複数の封止リングが、硬質停止部1102bの外側リム上に嵌合されることを可能にするように作製されてもよい。硬質停止部の形状は、図11Bに示されるように、区域を伴う円形であるが、硬質停止部1102bは、長方形、三角形、または楕円形等の任意の形状であってもよく、硬質停止部1102bは、複数の区域に分割されてもよい。
図12は、本開示のいくつかの実装による、硬質停止部1018を伴う、例示的な隣接するサブスタック1008a−bの断面図を示す。図10に関して前述のように、第1のサブスタック1008aの一端および第2のサブスタック1008bの反対端は、相互に隣接して設置され、双極伝導性基板1214が、2つのサブスタックの間に設置される。サブスタック1008aの同一の極性のMPUの伝導性経路の伝導性フランジ1220は、一緒に組み合わされ、折り畳まれ、タブ付き電流バス1226を形成するように示される。第1のサブスタック1008aのタブ付き電流バス1226は、突出する電子接続タブ1030と一緒に、双極伝導性基板1214の1つの側面1236aに連結して示される。第2のサブスタック1008bの伝導性フランジ1220に接続されたものと反対極性を有する、MPUの伝導性経路の伝導性フランジ1240は、一緒に組み合わされ、折り畳まれ、タブ付き電流バス1246を形成するように示される。サブスタック1008bのタブ付き電流バス1246は、突出する電子接続タブ1024と一緒に、双極伝導性基板1214の他の側面1236bに連結されるように示される。サブスタック1008a−bを包囲するのは、硬質停止部1018である。硬質停止部1018は、上側硬質停止部区画1260aおよび下側硬質停止部区画1260bを含む。硬質停止部区画1260a−bは、双極伝導性基板1214の両側に連結される。双極伝導性基板1214に向いた硬質停止部1260a−bの区画は、電子接続タブ1024および1030を越えて延在する、双極伝導性基板1214の区域1286に重複する。硬質停止部区画の外側リム1280は、封止リング1044がその中に嵌合されることを可能にする、溝付き区画を有する。
図13は、本開示のいくつかの実装による、硬質停止部1310を有し、ESDケーシング1316内に設置される、スタック1302内の複数のサブスタック1306の斜視図を示す。複数のサブスタック1306は、それぞれの双極伝導性基板の間に一緒に連結されて示され、複数の硬質停止部1310は、双極伝導性基板を包囲し、スタック1302を生成する。サブスタック1306は、サブスタック1306内のMPUによって画定される平面に垂直な方向に積層される。各硬質停止部1310の外側リム1380は、封止リング1324を含み、ESDケーシング1316の壁1332と硬質停止部1310との間に封止を生成し、そのサブスタック1306内にサブスタック1306の電解質を含有し、電解質が他のサブスタック1306と統合することを防止する。
いくつかの実装では、硬質停止部1324は、スタック1302の端部に提供されてもよい。スタック1302の端部における硬質停止部1324は、スタック1302の端部におけるサブスタック1306の電解質のための封止を提供し、電解質がESDケーシングから漏出しないように防止する。
図14は、本開示のいくつかの実装による、硬質停止部1402上に提供される、均圧弁1408および充填管ポート1414を示す。サブスタック(例えば、サブスタック1306)を封止し、第1のサブスタックの電解質が、別のサブスタックの電解質と統合することを防止することによって、サブスタックが充電および放電されるにつれて、圧力差が、隣接するサブスタックの間で生じ得る。均圧弁1408は、硬質停止部1402上に提供され、そのように生じる圧力差を低減させ得る。均圧弁1408は、半浸透性膜として動作し、化学的に、ガスの移動を可能にし、実質的に、電解質の移動を防止してもよい。均圧弁1408は、バネ、または時として、圧縮性ゴム塊を使用して、硬質停止部1402内の開口部に対して圧縮される剛性材料(例えば、鋼鉄)によって補強された封止材料(例えば、ゴム)の機械的配列であってもよい。サブスタック(例えば、サブスタック1306)内側の圧力が、許容限度を超えて増加すると、バネは、圧縮し、ゴム封止は、開口部から押し出され、過剰ガスを逃散させる。圧力が、低減されると、均圧弁1408は、次いで、再封止し、サブスタックは、通常通り機能可能である。
均圧弁1408は、実質的に、極性液体の移動を防止するが、二原子気体および非反応または貴ガスが、弁1408を通して拡散し、弁1408の両側の圧力を平衡化することを可能にしてもよい。拡散または移動が遮断される液体として、水、アルコール、食塩水、塩基性溶液、酸性溶液、および極性溶媒が挙げられ得るが、それらに限定されない。均圧弁1408は、二原子気体が、極性液体から分離するために使用されてもよい。耐極性溶媒封止材および黒鉛炭素繊維の束から作製される、均圧弁1408もまた、使用されてもよい。均圧弁1408は、複数のサブスタックESD内のサブスタックの間の圧力を平衡化するために使用されてもよい。
充填管ポート1414は、ESDケーシング(例えば、ケーシング1316)内に設置された後、封止されたサブスタック(例えば、サブスタック1306)を充填する補助をするために、硬質停止部1402上に提供される。図14に示されるように、充填管ポート1414は、硬質停止部1402のそれぞれ上に提供される。充填管ポート1414は、ガスおよび液体が、それを通して通過しないように防止する。充填管または注入器が、各サブスタックに隣接する硬質停止部1402の充填管ポート1414を通して挿入され、サブスタックを電解質で充填してもよい。このように、充填管または注入器が、複数の硬質停止部を通して、スタックの底部セル区画へと設置されてもよく、次いで、スタックは、底部から電解質で充填され、スタックの各区画が、電解質で充填されるにつれて、充填管または注入器を引き抜いてもよい。
図15は、本開示のいくつかの実装による、ESDのサブスタック1506a−eを電解質で充填するための例示的技法を示す。サブスタック1506a−eは、ESDケーシング1516内に設置されるため、ともにスタック1508を形成する。スタック1508は、硬質停止部1510および封止リング1524を含み、ともに実質的に、各それぞれのサブスタック1506a−eを封止し、それによって、電解質が隣接するサブスタック(例えば、サブスタック1506aと1506b)の間で統合することを防止してもよい。各硬質停止部1510上に提供される充填管ポート1530は、充填管または充填注入器1536が、スタック1508の一端において、第1のサブスタック1506aの充填管ポート1530を通して進入し、スタック1508の他端において、サブスタック1506eに到達するまで、中間サブスタック1506b−dの充填管ポート1530を通して進行し得るように整列させられる。サブスタック1506eにくると、充填管1536は、終端サブスタック1506eを電解質で充填してもよい。終端サブスタック1506eが充填されると、充填管1536は、隣接するサブスタック1506dまで引き上げられてもよい。充填管1536が、終端サブスタック1506eから引き出されると、ガスおよび液体が、ポートに流入またはそこから流出しないように、充填管ポート1530が防止するため、終端サブスタック1506e内の電解質は、その中に封止される。各サブスタック1506a−eは、終端サブスタック1506eから第1のサブスタック1506aへと1つずつ充填されてもよい(但し、サブスタックは、任意の他の好適な順序で充填されてもよい)。サブスタック1506a−eが、付加的電解質を必要とする場合、充填管1536は、電解質を必要とする、特定のサブスタック1506a−eに到達するまで、填管ポート1530を通して設置されてもよく、そのサブスタックは、個々に、電解質で充填されてもよい。充填サブスタック1506a−eを電解質で充填する順序が説明されるが、サブスタック1506a−eを電解質で充填する任意の順序が行われてもよい。
ある実装では、コレクタ板1560a−bが、スタック1508の端部に設置されてもよく、硬質停止部1324は、コレクタ板の端部を包囲し、スタック1302の端部において、サブスタック1306の電解質を封止する。
図16は、本開示のいくつかの実装による、例示的な長方形サブスタック1602の斜視図を示す。長方形サブスタック1602は、サブスタック1602の第1の面1612aおよび第2の面1612b上にタブ付き電流バス1608a−bを有する。タブ付き電流バス1608a−bの幅1670a−dは、その電流バスが整列するサブスタック1602のそれぞれの面に沿って、サブスタック1602の側面1680a−dを横断して延在する。同一の極性のMPUの伝導性経路の伝導性フランジは、一緒に組み合わされ、第1の面1612aに向かって折り畳まれ、サブスタックの両側に上側タブ付き電流バス1608aを形成する。反対極性のMPUの伝導性経路の伝導性フランジは、一緒に組み合わされ、第2の面1612bに向かって折り畳まれ、サブスタック1602の両側に下側タブ付き電流バス1608bを形成する。タブ付き電流バス1608a−bはそれぞれ、タブ付き電流バス1608a−bが折り畳まれる面に平行に突出する電子接続タブ1624a−bを有する。電子接続タブ1624a−bは、サブスタック1602の側面から張り出す。
図17A−Bは、本開示のいくつかの実装による、例示的な長方形MPU1702を示す。MPU1702は、例えば、図16の長方形サブスタック1602を構築するために使用されてもよい。図17Aに示されるように、MPU1702は、同一の極性を有し、伝導性経路1714の両側に設置される2つの活性材料電極層1708a−bを含む。活性材料電極層1708a−bは、金属発泡体1720が活性材料のための伝導性マトリクスを提供するように、金属発泡体をアノードまたはカソード活性材料のいずれかで含浸することによって作製されてもよい。例えば、図17Bに示されるように、活性材料電極層1708a−bは、両方とも、同一の活性材料でコーティングされ、伝導性経路1714の両側に設置される2つの金属発泡体区画を使用して形成されてもよい。いくつかの実施形態では、活性材料電極層1708a−bは、2つの層が伝導性経路1714を介して相互に相互係止するように圧接されてもよい。伝導性経路1714は、2つの活性材料電極層1708a−bの間に狭入される。伝導性経路1714は、実質的に、電極層と同一の幅または長さを有するが、他の寸法の電極層を覆って延在する(例えば、示されるように、双極伝導性基板1714は、電極層より広いが、同一の長さである)。電極層を覆って延在する伝導性経路1714の区域は、伝導性フランジ1712である。
アノードまたはカソード活性材料は、同一の極性を有する同一の材料または異なる材料であってもよい。使用される活性材料のタイプは、MPU1702の極性を決定する。例えば、アノード活性材料は、負のMPU内で使用されてもよく、カソード活性材料は、正のMPU内で使用されてもよい。ある実装では、アノードまたはカソード活性材料は、伝導性経路1714上にコーティングされてもよい。例えば、活性材料として使用される材料のタイプおよび伝導性経路1714のために使用される材料のタイプに応じて、適切なバインダ材料が、活性材料を伝導性経路1714上へ保持するために使用されてもよい。
図18は、本開示のいくつかの実装による、複数のMPU1806a−cおよび1808a−cを含む、例示的な長方形サブスタック1802の概略図を示す。複数の長方形MPU1806a−cおよび1808a−cは、実質的に、積層方向に垂直に積層され、サブスタック1802を形成し、積層された各MPUは、交互する極性を有してもよい。例えば、MPU1806aおよびMPU1808aは、反対極性を有し、その間にセパレータ1824を伴って積層される。隣接するMPUは、交互する極性を伴って積層されるので、MPU1808aに隣接して積層されるのは、MPU1806aと同一の極性を有するMPU1806b等となり得る。サブスタック1802のエネルギー貯蔵容量またはサブスタックの表面積/容量比は、付加的なMPUを一緒に積層することによって、増加されてもよい。
各セパレータ1824は、電解質を保持し得る電解質層を含んでもよい。電解質層は、異なる極性(例えば、正および負の活性材料電極層1830および1834)を有する隣接するMPUの活性材料電極層を電気的に分離し得、隣接するMPU(例えば、MPU1806cと1808c)との間の電気短絡を防止する一方、MPUの間のイオン移動を可能にしてもよい。
同一の極性の伝導性経路の伝導性フランジ(例えば、伝導性フランジ1848または1858)は、同一の極性を有するMPU1808a−cの伝導性フランジ1858が相互に整列させられるように、整列させられてもよい。同様に、MPU1808a−cと異なる極性のMPU1806a−bの伝導性フランジ1848は、相互に整列させられてもよい。図18に示されるように、伝導性フランジ1848および1858はそれぞれ、MPUの側面全体を横断して延在し、また、MPUの側面から突出するので、同一の極性のMPUは、伝導性フランジを有する側面が相互に覆って整列させられるように位置付けられる。例えば、伝導性フランジ1848は、相互に覆って整列させられ、同様に、伝導性フランジ1858もまた、相互に覆って整列させられる。積層構成は、図18に示されるように、複数のMPUのそれぞれに対して交互し、そこで、一方の極性の第1のMPU1806aは、異なる極性のMPU1808aに隣接して積層され、MPU1806aの伝導性フランジ1848が、MPU1808aの伝導性フランジ1858に垂直となるように積層される。積層は、このように継続し、各MPUは、最終サブスタックが、第1のMPU1806aと異なる極性を伴って積層されるまで、交互する極性を伴って積層される。
ある実装では、サブスタック1802の一端におけるMPU1806aは、外側を向いた電極層1866a上にコーティングされた活性材料を有していない。加えて、サブスタック1802の他端におけるMPU1808cも、外側を向いた電極層1866b上にコーティングされた活性材料を有していなくてもよい。サブスタック1802のMPU1806aの電極層1866aは、活性材料でコーティングされていない、金属発泡体であってもよい。同様に、サブスタック1802のMPU1808cの電極層1866bは、活性材料でコーティングされていない、金属発泡体であってもよい。
図19A−Bは、本開示のいくつかの実装による、複数のMPU1906a−cおよび1908a−cならびにタブ付き電流バス1608a−bを含む、例示的な長方形サブスタック1602の断面図を示す。同一の極性のMPUの伝導性フランジ1930および1920は、ともに電子的に連結され、タブ付き電流バス1608a−bを形成する。タブ付き電流バス1608a−bに連結される、電子接続タブ1624a−bは、MPUの側面から外向きに突出する。電子接続タブ1624a−bおよびタブ付き電流バス1608a−bは、他のサブスタックのタブ付き電流バスに一緒に電気的に連結し得る、伝導性電子リンクを提供する。1つ以上の伝導性経路の伝導性フランジは、ともに電子的に連結され、電気連結を提供する折畳み、圧着、溶接、はんだ付け、接合、リベット留め、ボルト締め、任意の他の好適な手段、または任意のそれらの組み合わせによって、タブ付き電流バスを形成してもよい。
図19Aは、図16における線Xによって示される、例示的な長方形サブスタック1602の断面図を示す。断面は、サブスタック1602の一端に折り畳まれ、一緒に連結されて、タブ付き電流バス1608bを形成する、一方の極性の各MPU1908a−cの伝導性フランジ1920を示す。タブ付き電流バス1608bは、サブスタック1602の両側1680c−dにある。伝導性フランジ1920およびタブ付き電流バス1608bは、サブスタック1602の側面1680c−dの幅に延在し、サブスタック1602の端部に向かって折り畳まれる。
図19Bは、図16における線XIによって示される、例示的な長方形サブスタック1602の断面図を示す。断面は、タブ付き電流バス1608aと異なるサブスタックの端部に折り畳まれ、一緒に連結され、タブ付き電流バス1608bを形成する、MPU1908aのものと異なる極性の各MPU1906a−cの伝導性フランジ1930を示す。MPU1906a−cの伝導性フランジ1930に連結されるタブ付き電流バス1608bは、タブ付き電流バス1608aが連結される側面と異なる、サブスタック1602の両側1680a−bにある。伝導性フランジ1930およびタブ付き電流バス1608aは、サブスタック1602の側面1680a−bの幅に延在し、サブスタック1602の他端に向かって折り畳まれる。
図20は、本開示のいくつかの実装による、積層方向に積層された例示的な長方形サブスタック2002a−cの部分的分解図を示す。サブスタック2002a−cは、一緒に積層された複数の交互する正および負のMPUを有し、そこで、サブスタックのいずれかの端部上のMPUは、異なる極性を有する。サブスタック2002a−cの側面を横断して延在する、タブ付き電流バス2008aまたは2008bは、同一の極性を有するMPUの伝導性経路の伝導性フランジに連結され、サブスタック2002a−cの第1の端部に向かって折り畳まれて示され、電子接続タブ2014aは、サブスタック2002a−cの第1の端部から外向きに突出する。異なる極性を有するMPUの伝導性経路の伝導性フランジに連結されるタブ付き電流バス2008bは、タブ付き電流バス2008aと異なるサブスタック2002a−cの側面に延在する。タブ付き電流バス2008bは、サブスタック2002a−cの第2の端部に向かって折り畳まれて示され、電子接続タブ2014bは、サブスタック2002a−cの第2の端部から外向きに突出する。
サブスタック2002a−cの間には、双極伝導性基板2020がある。ある実装では、双極伝導性基板2020は、隣接するサブスタックの端部(例えば、サブスタック2002aおよび2002bの隣接する端部)の間に電気接続を形成する、コーティングされていない金属表面を備えてもよい。双極伝導性基板2020は、実質的に、不浸透性であって、サブスタック2002a−cの間の電解質イオン移動を防止する。双極伝導性基板2020の面積は、サブスタック2002a−cのそれぞれの側面を網羅し、サブスタック2002a−cから突出する、電子接続タブ2014a−bに重複する。図20に示されるように、双極伝導性基板2020は、長方形幾何学形状である。双極伝導性基板2020の面積は、サブスタック2002a−cの側面上の突出する電子接続タブ2014a−bの長さを網羅する。例えば、サブスタック2002aとサブスタック2002bとの間の双極伝導性基板2020は、実質的に、サブスタック2002aの底部の電子電流タブ2014bおよびサブスタック2002bの上部の電子電流タブ2014aと等しい距離に延在する。双極伝導性基板2020はまた、実質的に、サブスタック2002aの上部の電子電流タブ2014aおよびサブスタック2002bの底部の電子電流タブ2014bと等しい距離に外向きに延在する。実質的に、双極伝導性基板2020に連結されない電子電流タブと等しい距離に延在することによって、硬質停止部は、双極伝導性基板2020およびサブスタック2002a−cの電子電流タブ2014a−bの周囲に嵌合するように作製され得る。双極伝導性基板2020の縁は、図18に示されるように、丸くされるが、双極伝導性基板2020の縁は、先鋭、傾斜、または対角線縁等、他の方法で成形されてもよい。双極伝導性基板2020はまた、電子電流タブ2014a−bを越えて延在してもよい。この重複は、双極伝導性基板2020が、基板の間の電解質の移動を防止する支援をし得る。
図20に示されるように、サブスタック2002aは、一方の極性のMPUの伝導性経路に連結される、サブスタック2002aの底部側における電子接続タブ2014bが、異なる極性のMPUの伝導性経路に連結されるサブスタック2002bの上部側における電子接続タブ2014aと整列させられるように、サブスタック2002bを覆って整列させられる。双極伝導性基板2020は、2つのサブスタック2002a−b間および電子接続タブ2014bと2014aとの間に配置される。各サブスタック2002a−cは、一方の極性の伝導性経路に接続されるサブスタックの一端の周りの電子接続タブ2014bが、反対極性の伝導性経路に接続された別のサブスタックの反対端の周りの電子接続タブ2014aと整列させられるように、整列させられる。例えば、複数のサブスタック2002a−cが、積層方向に積層されるとき、各サブスタック2002a−cは、隣接するサブスタック(例えば、2002aおよび2002b)に対して、90度、回転されてもよい。これは、MPUの反対極性に接続された電子電流タブ(例えば、上部サブスタック2002aの電子電流タブ2014bおよび中央サブスタック2002bの電子電流タブ2014a)が、隣接し、双極伝導性基板2020を通して相互に重複することを確実にし得る。3つのサブスタック2002a−cが示されるが、任意の好適な数のサブスタックが、その間に双極伝導性基板を有するように提供されてもよいことを理解されるであろう。
図21は、本開示のいくつかの実装による、硬質停止部2108a−cを伴う、積層方向に積層された例示的な長方形サブスタック2102a−cを示す。複数のサブスタック2102a−cが、相互の上部に、積層方向に積層されて示される。サブスタックのそれぞれの間には、タブ付き電流バス2118bおよびタブ付き電流バス2118aの電子接続タブの長さに延在する、双極伝導性基板2112がある。サブスタック2102a−cを囲繞するのは、隣接するサブスタック(例えば、サブスタック2102aおよび2102b)を一緒に保持する支援をする、硬質停止部2108a−cである。
1つのサブスタック2102a−cの電解質が、別のサブスタック2102a−cの電解質と統合することを防止するために、硬質停止部2108a−cは、隣接するサブスタック2102a−cの端部および隣接するサブスタック2102a−cの間の双極伝導性基板2112の周囲に提供され、実質的に、その特定のサブスタック2102a−c内に電解質を封止してもよい。
例えば、硬質停止部2108a−cは、硬質停止部2108a−cの周縁付近に、封止リング2120を含み、サブスタック2102a−cの間に封止障壁を提供し、実質的に電解質が隣接するサブスタック2102a−cの電解質と統合することを防止してもよい。封止リング2120は、ESDケーシングの壁と硬質停止部2108a−cとの間に封止を生成する。硬質停止部2108a−cは、硬質停止部2108a−cを双極伝導性基板2112および電子電流タブ2118a−bに固着する、硬質停止部ホルダ2130を含んでもよい。硬質停止部ホルダ2130は、硬質停止部2108a−cの硬質停止部ホルダ2130を横断して、ボルト締めまたはリベット留めされ、硬質停止部2108a−cの側面を一緒に挟持し、硬質停止部2108a−cを双極伝導性基板2112および電子電流タブ2118a−bに固着させてもよい。
ある実装では、双極伝導性基板2112を通したサブスタック2102a−cの間の伝導性は、双極伝導性基板2112を通して、サブスタック2102a−cを接続することによって、増強されてもよい。第1の極性を有する、サブスタック2102aの電子接続タブ2118aは、直接、異なる極性を有する、隣接するサブスタック2102bの電子接続タブ2118bに電気的にリンクされてもよい。直接電子リンクは、隣接するサブスタック(例えば、2102aおよび2102b)の電子接続タブ(例えば、2118aおよび2118b)を電気的にリンクする溶接、ボルト、ネジ、リベット、または任意の他の手段を使用して、達成されてもよい。電子リンクは、2つの電子接続タブ2118a−bの間の電子のための平行経路を提供し、一方の極性のMPUが、双極伝導性基板2112を通して、反対極性のMPUにリンクされるため、双極バッテリ構成の直接電気リンクに類似する。
ある実装では、硬質停止部2108a−cは、一緒に組み合わさり、硬質停止部2108a−cを双極伝導性基板2112および電子電流タブ2118a−bに固着させる、第1の区画および第2の区画2140a−bを含んでもよい。硬質停止部2108a−cは、界面接触するように構成され、電子接続タブ2118a−bを覆って設置されると、電子接続タブ2118a−bを囲繞する、電子接続タブ2118a−bの形状における切り欠き付き棚2146を含んでもよい。切り欠き2146は、電子接続タブ2118a−bに面する、硬質停止部の側面上にあってもよい。例えば、サブスタック2102aおよびサブスタック2102bは、第1および第2の2140a−b硬質停止部区画間に電子接続タブ2118a−bを有する。第1および第2の硬質停止部区画2140a−b上の電子接続タブ2118a−bの形状における、切り欠き付き棚2146は、電子接続タブ2118a−bを補完および囲繞する。しかしながら、電子接続タブ2118a−bを伴わない側面には、硬質停止部区画2140a−bは、実質的に、双極伝導性基板2112に等しい厚さを伴う、切り欠き付き棚2148を有する。サブスタック2102cの底部端には、第1の硬質停止部区画2140aは、サブスタック2102cの底部端から突出する電子接続タブ2118aを補完および囲繞する、切り欠き付き棚2150aを有する。第2の硬質停止部区画2140bは、双極伝導性基板2112を補完する、切り欠き付き棚2150bを有する。硬質停止部ホルダ2130は、硬質停止部2108a−cを電子接続タブ2118a−bおよび双極伝導性基板2112に固着するようにリベット留めまたはボルト締めされてもよい。
図22A−Hは、本開示のいくつかの実装による、複数のサブスタック2220を有するESD2202を組み立てるための例示的表現を示す。図22Aは、ESD2202を組み立てる間、ESD2202の異なる区画を一緒に整列および保持するために使用される組立ジグ2204を示す。組立ジグ2204は、組立の間、構成要素を一緒に保持および係止する係止クランプ2206を有する。底部硬質停止部区画2220が、最初に、組立ジグプラットフォーム2208の周囲に設置される。硬質停止部区画2222は、硬質停止部区画2222の外側リムに取り付けられた封止リング2226を有する。接合された底部コレクタ板2230が、次いで、組立ジグプラットフォーム2208上に設置される。接合された底部コレクタ板2230は、コレクタ板2230の上面に伝導性基板2232を含んでもよい。接合された底部コレクタ板2230は、底部コレクタ板2230の底部から突出するボス2234bを含む。ボス2234bは、ボス2234bに嵌合し、底部コレクタ板2230を適所に保持する、溝2210内に設置される。底部コレクタ板2230は、係止クランプ2206と適所に係止される。
ある実装では、電解質の漏出を防止することを支援するガスケットが、伝導性基板2232の外側縁に設置されてもよい。糊が、伝導性基板2232を伝導性基板2232の上面に設置された構成要素と接合する支援をするために、伝導性基板2232の外側縁に設置されてもよい。
図22Bは、底部コレクタ板2230の伝導性基板2232の上部に設置された第1のサブスタック2220aを示す。第1のサブスタック2220aは、係止クランプ2206を使用して適所に係止され、整列させられる。第1のサブスタック2220aは、第1のサブスタック2220aの底面にあるタブ付き電流バス2238aの電子接続タブ2240aを溶接、リベット留め、またはボルト締めすることによって、伝導性基板2232に取り付けられる。図22Cでは、第1のサブスタック2220aが、底部コレクタ板2230の伝導性基板2232に取り付けられた後に、第1のサブスタック2220aの底部にある電子接続タブ2240aおよび底部コレクタ板2230の伝導性基板2232に取り付けられる上部硬質停止部区画2222bは、第1のサブスタック2220aの周囲に設置される。その後に、底部硬質停止部区画2222aが、上部硬質停止部区画2222を覆って設置される。底部硬質停止部2222b区画は、第1のサブスタック2220aの上面の電子接続タブ2240bに取り付けられる。
図22Dは、第1のサブスタック2220aの上部に設置された双極伝導性基板2250を示す。双極伝導性基板2250は、係止クランプ2206を使用して、適所に係止され、第1のサブスタック2220aに整列させられる。第2のサブスタック2220bは、双極伝導性基板2250の上部に設置される。第2のサブスタック2220bは、第2のサブスタック2220bの底面の電子接続タブ2252aが、第1のサブスタック2220aの上面の電子接続タブ2240bと整列するように、設置される。例えば、第2のサブスタック2220bは、第1のサブスタック2220aに対して、90度だけ回転させられる。第2のサブスタック2220bの底面の電子接続タブ2252aおよび第1のサブスタック2220aの上面の電子接続タブ2240bは、溶接、リベット留め、またはボルト締めによって、双極伝導性基板2250に締結される。第2のサブスタック2220bの底部電子接続タブ2252aは、電子接続タブを一緒に電気的にリンクする溶接、ボルト、ネジ、リベット、または任意の他の手段を使用することによって、第1のサブスタック2220aの上部電子接続タブ2240bに電子的に接続されてもよい。第2のサブスタック2220bが、双極伝導性基板2250に締結された後に、上部硬質停止部区画2222bに続く底部硬質停止部2222a区画は、第2のサブスタック2220bの周囲に設置されてもよい(これらの硬質停止部は、図22Dでは、図示せず)。付加的サブスタックおよび伝導性基板が、同様に、相互の上部に積層されてもよい。
図22Eは、積層方向に積層された4つのサブスタック2220a−dを示す。硬質停止部区画2222a−bは、双極伝導性基板2250に取り付けられていない。図22Fでは、各サブスタック2220a−dの周囲の底部硬質停止部区画2222bは、持ち上げられ、双極伝導性基板2250の底側の双極伝導性基板2250に取り付けられる。上部硬質停止部区画2222aもまた、双極伝導性基板2250に取り付けられる。硬質停止部区画2222a−bは、双極伝導性基板2250を通って硬質停止部の上部および底部区画を横断して、ボルト締めまたはリベット留めすることによって、双極伝導性基板2250に取り付けられてもよい。ある実装では、電子接続タブ2252a−bは、双極伝導性基板2250の縁まで延在し、硬質停止部区画2222a−bと一緒に双極伝導性基板2250に締結されてもよい。硬質停止部区画2222a−bが締結されると、双極伝導性基板2250に隣接して一緒に整列させられた電子接続タブ2252aおよび2240bは、電子接続タブ2252aおよび2240bを電気的にリンクする溶接、ボルト、ネジ、リベット、または任意の他の手段を使用して一緒に電子的にリンクされてもよい。
図22Gは、上部サブスタック2220eの上面に取り付けられた上部コレクタ板2270および底部サブスタック2220aの底面に取り付けられた底部コレクタ板2230と一緒に積層方向に積層されたスタック2280を形成する複数のサブスタック2220a−eを示す。ボス2234a−bは、コレクタ板2270および2230に垂直に外向きに突出する。圧縮板2274は、ボス2234aを囲む上部コレクタ板2270に取り付けられてもよい。内部バネ2272もまた、上部コレクタ板に取り付けられてもよい。図22Hは、ESDケーシング2286内に設置されたスタック2280の横断面図を示す。硬質停止部2222a−bの外側リム上の封止リング2226は、ESDケーシング2286の壁と硬質停止部2222a−bとの間に封止を生成し、それ自体内にサブスタック2220a−eの電解質を含有する。これは、隣接するサブスタック2220a−eの電解質が一緒に統合することを防止する。
図23A−Bは、本開示のいくつかの実装による、均圧弁2302および圧力除去弁2304を示す。例えば、第1のサブスタックの電解質が、別のサブスタックの電解質と統合することを防止するために、サブスタックを封止することは、サブスタックが充電および放電されるにつれて、隣接するサブスタックの間に圧力差を生み出し得る。図23Aに示されるように、均圧弁2302が、硬質停止部上に提供され、そのように生じる圧力差異を減少させてもよい。均圧弁2302は、半浸透性膜として動作し、化学的に、ガスの移動を可能にし、実質的に、電解質の移動を防止してもよい。
図23Bに示されるように、ESDケーシング2308の上部に提供されるのは、ESDケーシング2308変形圧力を下回る圧力において通気されるように設定される、圧力除去弁2304であってもよい。したがって、ESD2308内の圧力が、容器変形限界に近づくと、圧力除去弁2304は、過剰圧力を解放し、ESDケーシング2308が変形しないように確実にしてもよい。
図24は、本開示のいくつかの実装による、ESDを冷却するための例示的な熱電発電装置2402を示す。ESDケーシング2412は、典型的には、金属から作製される。硬質停止部2418および各サブスタック2420の電解質は、ESDケーシング2412の壁と界面接触するので、熱が、金属ESDケーシング2412に伝達され得る。熱電発電装置2402は、ケーシング2412の外側に設置され、ESDケーシング2412を、それによって、ESD内のサブスタック2420を冷却してもよい。熱電発電装置は、発電装置の1つの側面から他の側面まで熱を伝達する。熱電発電装置の1つの側面に連結されるESDケーシングに蓄積する熱は、熱電発電装置の他の側面に伝達される。対流または他の冷却手段のいずれかを介して、ESDケーシングに連結されていない熱電発電装置の側面が、次に、冷却される。このプロセスは、事実上、ESDケーシングを冷却する。熱電発電装置が示されているが、ESDケーシングから熱を伝達させる任意の機構が使用されてもよい。
図25A−Bは、本開示のいくつかの実装による、硬質停止部2514、2532、および2542a−dの概略断面図を示す。硬質停止部は、種々の封止構成を有してもよい。例えば、図25Aの硬質停止部は、ESDの外側ケーシングと封止を形成するように構成され、図25Bの硬質停止部は、双極伝導性基板および/または隣接するサブスタックの接続タブの間の封止を形成するように構成される。
図25Aは、双極伝導性基板2512および電子接続タブ2508a−bと界面接触する硬質停止部2514および2532を示す。前述のように、硬質停止部は、隣接するサブスタック(例えば、隣接するサブスタック2502aと2502bと)の間に提供されてもよく、2つの隣接するサブスタックの間に位置する双極伝導性基板2512を包囲してもよい。硬質停止部2514は、第1の区画2514aおよび第2の区画2514bを含む。第1および第2の区画2514a−bは、電子接続タブ2508a−bおよび双極伝導性基板2512を受容するように成形された切り欠き2526を有する。第1および第2の区画2514a−bは、電子接続タブ2508a−bおよび双極伝導性基板2512を相互に圧縮し、その付近に硬質停止部2514を固着させる力2520を提供してもよい。それぞれの硬質停止部区画2514a−bの外側リム2518aは、硬質停止部2514の第1の区画2514aと第2の区画bとの間に位置する封止リング2516を受容するために交互に溝2522が付けられている。ある実施形態では、第1および第2の区画の各々は、それぞれの溝を含んでもよい。例えば、硬質停止部2532の第1および第2の区画2532a−bは、封止リング2516を受容するために、それらのそれぞれの外側リム2518b上にそれぞれの溝2524a−bを含む。硬質停止部2514および2532の周縁付近に提供される封止リング2516は、ESDケーシングの壁2504と硬質停止部2514および2532との間に封止を生成し、それによって、電解質が、隣接するサブスタック2502a−cの間を移動することを防止する。硬質停止部2532の第1および第2の区画2532a−bは、同様に、電子接続タブ2508a−bおよび双極伝導性基板2512を受容するように成形された切り欠き2528を有する。
図25Bは、双極伝導性基板2532および電子接続タブ2536a−bおよび2538a−bと界面接触する硬質停止部2542a−dを示す。硬質停止部2542a−dは、その一部のみではなく、サブスタックの全体の周囲に提供される(例えば、硬質停止部2542a−dのそれぞれの高さは、実質的に、それによって囲繞されるサブスタック2530a−dのものに等しい)。例えば、硬質停止部2542bは、サブスタック2530bを囲繞し、隣接するサブスタック2530aおよび2530cの双極伝導性基板2532の間に延在する。各硬質停止部2542a−dは、硬質停止部2542a−dと双極伝導性基板2532および/または電子接続タブ2536a−bとの間に嵌合される封止リング2516を受容するために、その両側に、内部溝2540を含む。ある実施形態では、双極伝導性基板は、電子接続タブより遠くに外向きに延在する。例えば、双極伝導性基板2532は、電子接続タブ2536a−bより遠くに延在し、したがって、封止リング2516は、双極伝導性基板2532と界面接触し、電解質が、隣接するサブスタックの間で移動しないように防止する。ある実施形態では、電子接続タブは、実質的に、双極伝導性基板と同一の距離に延在してもよい。例えば、電子接続タブ2538a−bは、双極伝導性基板2532と同一の距離に延在し、したがって、封止リングは、電子接続タブ2538a−bと界面を形成し、電解質が、隣接するサブスタックの間で移動しないように防止する。
伝導性基板を形成するために使用される基板は、任意の好適な伝導性かつ不浸透性または実質的に不浸透性である材料から形成されてもよく、例えば、限定されないが、非穿孔金属箔、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被覆材料、銅およびアルミニウムを含む被覆材料、ニッケルめっき鋼鉄、ニッケルめっき銅、ニッケルめっきアルミニウム、金、銀、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む。各基板は、ある実施形態では、相互に接着された2つ以上のシートの金属箔から作製されてもよい。
本開示の正の電極層は、任意の好適な活性材料から形成されてもよく、例えば、限定されないが、水酸化ニッケル(Ni(OH)2)、亜鉛(Zn)、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む。正の活性材料は、焼結および含浸される、水性バインダでコーティングおよび圧接される、有機バインダでコーティングおよび圧接される、または伝導性マトリクス内に他の補完化学物質とともに正の活性材料を含有するために任意の他の好適な技法によって、含有されてもよい。MPUの正の電極層は、そのマトリクス内に注入され、膨張を低減させるために、粒子を有してもよく、例えば、限定されないが、金属水素化物(MH)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む。これは、例えば、サイクル寿命を延長させ、再結合を改善し、セル区域内の圧力を低減させ得る。MH等のこれらの粒子はまた、Ni(OH)2等の活性材料ペーストの接合内にあって、電極内の電気伝導性を改善し、再結合を支援してもよい。
本開示の負の電極層は、任意の好適な活性材料から形成されてもよく、例えば、限定されないが、MH、Cd、Mn、Ag、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む。負の活性材料は、例えば、焼結される、水性バインダでコーティングおよび圧接される、有機バインダでコーティングおよび圧接される、または伝導性マトリクス内に他の補完化学物質とともに負の活性材料を含有するための任意の他の好適な技法によって、含有されてもよい。負の電極側は、化学物質を有してもよく、負の電極材料マトリクス内に注入され、構造を安定化し、酸化を低減させ、サイクル寿命を延長させるために、例えば、限定されないが、Ni、Zn、Al、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む。
例えば、限定されないが、有機カルボキシメチルセルロース(CMC)バインダ、Creytonゴム、PTFE(Teflon)、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む、種々の好適なバインダが、活性材料層と混合され、層をその基板に保持してもよい。200ppi金属発泡体等の超静止バインダもまた、本開示の積層されたESD構造と併用されてもよい。
本開示のESDの各電解質層のセパレータは、その2つの隣接するMPUを電気的に絶縁する一方、それらのMPUの間のイオン移動を可能にする、任意の好適な材料から形成されてもよい。セパレータは、セルロース超吸収体を含有し、充填を改善し、電解質リザーバとして作用し、サイクル寿命を延長させ得、セパレータは、例えば、高吸収材料から作製されてもよい。セパレータは、それによって、電荷が、ESDに印加さると、以前に吸収した電解質を解放し得る。ある実施形態では、セパレータは、電極間間隔(IES)が、通常よりも高く開始し、継続的に低減されて、その寿命にわたってESDの容量(または、C率)を維持し、かつESDの寿命を延長し得るように、通常セルより低い密度であって、かつ厚くてもよい。
セパレータは、短絡を低減させ、再結合を改善するために、MPU上の活性材料の表面に接合された比較的に薄い材料であってもよい。このセパレータ材料は、例えば、噴霧される、コーティングされる、圧接される、またはそれらの組み合わせであってもよい。セパレータは、ある実施形態では、そこに付着される再結合作用物質を有してもよい。この作用物質は、セパレータの構造内に注入されてもよく(例えば、これは、作用物質をセパレータ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)を使用する湿潤工程において、作用物質を物理的に捕捉することによって行われてもよく、または作用物質は、電着によってその中に入れられてもよい)、または、例えば、蒸着によって、表面上で層状にされてもよい。セパレータは、例えば、限定されないが、Pb、Ag、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む、再結合を効果的に支持する任意の好適な材料または作用物質で作製されてもよい。セルの基板が相互に向かって移動する場合、セパレータが抵抗を提示し得るが、たわまないように十分に堅い基板を利用し得る本発明のある実施形態では、セパレータが提供されなくてもよい。
本開示のESDの各電解質層の電解質は、電気的に伝導性媒体を産生するように溶解または溶融されると、イオン化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、限定されないが、NiMHを含む任意の好適な化学物質の標準的電解質であってもよい。電解質は、例えば、限定されないが、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)、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む、それらに付加的な化学物質を含有してもよい。電解質はまた、例えば、限定されないが、Ag(OH)2を含む、再結合を改善するための添加剤を含有してもよい。電解質はまた、例えば、水酸化ルビジウム(RbOH)を含有し、低温性能を改善してもよい。本開示のいくつかの実施形態では、電解質は、セパレータ内において凍結され、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。これは、特に、粘性の電解質が、ガスケットがそれに隣接する電極ユニットとともに実質的に流体密封封止を形成する前に、ESDの電極ユニットスタックの中へ挿入されることを可能にし得る。
本開示のESDの封止リングは、硬質停止部、封止リング、およびそれに隣接するMPUによって画定される空間内の電解質を効果的に封止し得る任意の好適な材料または材料の組み合わせから形成されてもよい。ある実施形態では、封止リングは、例えば、限定されないが、ナイロン、ポリプロピレン、セルガード、ゴム、PVOH、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む、任意の好適な非伝導性材料から作製され得る、固体封止障壁またはループ、また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。
代替として、または加えて、封止リングは、例えば、限定されないが、エポキシ、ブレアタール、電解質(例えば、KOH)不浸透性糊、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)から形成され得、電解質に対して不浸透性であり得る、Henkel Corporation製Loctite(登録商標)ブランド接着剤等の2部ポリマー)、任意の他の好適な材料、またはそれらの組み合わせを含む、任意の好適な粘性材料またはペーストから形成されてもよい。いくつかの実施形態では、封止リングは、粘性材料が固体封止ループとESDケーシングの壁との間の封止を改善し得る固体封止ループおよび粘性材料の組み合わせによって、形成されてもよい。
積層された形状における封止されたサブスタックを伴うように設計されたESDを利用する利点は、ESDの放電率の増加であり得る。この放電率の増加は、そうでなければ、角柱または巻回ESD設計において実行可能でない場合がある、ある低腐食性電解質の使用を可能にし得る(例えば、刺激性、伝導性の増大、および/または電解質の化学反応性成分または複数の成分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ために積層されたESD設計によって提供され得る、この余地は、そうでなければ、高腐食性電解質によって腐食され得る封止リングを用いた封止を形成するとき、あるエポキシ(例えば、J−B Weldエポキシ)が利用されることを可能にし得る。
本開示のESDの硬質停止部は、任意の好適な材料から形成されてもよく、限定されないが、種々のポリマ−(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン)、セラミック(例えば、アルミナ、シリカ)、任意の他の好適な機械的に耐久性があり、および/または化学的に不活性の材料、あるいはそれらの組み合わせを含む。硬質停止部材料または複数の材料が、例えば、使用され得る種々のESD化学物質に耐えるために選択されてもよい。
本開示のESDは、複数のMPUによって形成される、積層方向に積層された複数のサブスタックを含んでもよい。本開示の実施形態によると、双極伝導性基板、電極層、電解質層、および硬質停止部のそれぞれの厚さおよび材料は、サブスタック毎だけではなく、また、特定のサブスタック内においても、相互に異なってもよい。スタックレベルだけではなく、また、個々のサブスタックレベルにおける、幾何学形状および化学物質のこの変動は、種々の利点および性能特性を伴うESDを生み出し得る。
加えて、基板、電極層、電解質層、および硬質停止部の材料および幾何学形状は、スタックの高さに沿って、サブスタック毎に変動してもよい。ESDの電解質層のそれぞれ内で使用される電解質は、そのそれぞれのサブスタックが、セル区域のスタックの中央にどれだけ近接しているかに基づいて、変動してもよい。例えば、最内サブスタックは、第1の電解質から形成される電解質層を含んでもよい一方、中央サブスタックは、それぞれ、第2の電解質から形成される電解質を含んでもよい一方、最外サブスタックは、それぞれ、第3の電解質から形成される電解質を含んでもよい。内部スタック内のより高い伝導性の電解質を使用することによって、抵抗は、生成される熱がより少なくなり得るように、より低くなり得る。これは、外部冷却技法の代わりに、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、ESDのサブスタックのそれぞれ内で電極層として使用される活性材料もまた、そのそれぞれのサブスタックが、サブスタックのスタックの中央にどれだけ近接するかに基づいて変動してもよい。例えば、最内サブスタックは、第1の温度および/または速度性能を有する第1のタイプの活性材料から形成される電極層を含んでもよい一方、中央サブスタックは、第2の温度および/または速度性能を有する第2のタイプの活性材料から形成される電極層を含んでもよい一方、最外サブスタックは、第3の温度および/または速度性能を有する第3のタイプの活性材料から形成される電極層を含んでもよい。実施例として、ESDスタックは、例えば、熱をより吸収し得るニッケルカドミウムの電極層で最内サブスタックを構築する一方、最外セル区域が、より低温になる必要があり得るニッケル水素の電極層を備え得ることによって、熱的に管理されてもよい。代替として、ESDの化学物質また幾何学形状は、非対称であってもよく、スタックの一端におけるサブスタックは、第1の活性材料および第1の高さから作製されてもよい一方、スタックの他端におけるサブスタックは、第2の活性材料および第2の高さであってもよい。
さらに、ESDのサブスタックのそれぞれの幾何学形状はまた、サブスタックのスタックに沿って変動してもよい。特定のサブスタック内の活性材料の間の距離の変動に加え、あるサブスタックは、それらのサブスタックの活性材料の間に第1の距離を有してもよい一方、他のサブスタックは、それらのサブスタックの活性材料の間に第2の距離を有してもよい。いずれの場合も、活性材料電極層の間により短い距離を有するサブスタックまたはその一部は、例えば、より高い電力を有し得る一方、活性材料電極層の間により長い距離を有するサブスタックまたはその一部は、例えば、樹枝状結晶成長のためのより多くの余地、より長い寿命サイクル、および/またはより多くの電解質貯蔵を有し得る。活性材料電極層の間により長い距離を伴うこれらの部分は、例えば、活性材料電極層の間により短い距離を伴う部分が、最初に充電され得ることを確実にするように、ESDの電荷受容性を調整し得る。
積層されたESDの前述に説明および図示された実装は、実質的に丸い断面を有するMPUおよび伝導性基板を円筒形ESDに、または長方形断面を長方形ESDに積層することによって形成されたESDを示すが、種々の形状のうちのいずれかが、積層されたESDの基板を形成するために利用されてもよいことに留意されたい。例えば、本開示の積層されたESDは、長方形、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領域を有するMPUおよび伝導性基板を積層することによって形成されてもよい。また、円筒形ESDに関して説明される実装はまた、長方形ESD上に実装されてもよく、その逆も然りである。例えば、図14および図15に説明される円筒形ESDの充填ポート管および圧力除去弁は、長方形ESD内に実装されてもよい。さらに、図2A−Dに関して説明される双極伝導性基板、および図8A−Cに関する伝導性フランジを電子的に連結するための技法は、任意の形状(例えば、長方形または円形)の伝導性フランジおよび伝導性基板上に実装されてもよい。
前述は、本開示の原理の例示にすぎず、種々の修正が、本開示の範囲および精神から逸脱することなく、当業者によって行われてもよいことを理解されるであろう。また、種々の方向および向きの用語、例えば、「水平」および「垂直」、「上部」および「底部」、「表面」および「側面」、「長さ」および「幅」、「高さ」および「厚さ」、「内側」および「外側」、「内部」および「外部」、ならびに同等物は、便宜上、本明細書で使用されるにすぎず、固定あるいは絶対的な方向または向きの限定が、これらの単語の使用によって意図されるわけではないことを理解されるであろう。例えば、本開示のデバイスならびにその個々の構成要素は、任意の所望の向きを有してもよい。再度向けられる場合、異なる方向または向き用語が、その説明において使用されることが必要であってもよいが、本開示の範囲および精神内にあるその基本的性質を改変しないであろう。当業者は、本開示が、限定ではなく、例示の目的のために提示される、説明される実施形態以外で実践されてもよく、本開示が、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 (32)
- エネルギー貯蔵デバイスであって、該デバイスは、
双極伝導性基板を備え、該双極伝導性基板は、第1のサブスタックに連結される第1の側面と第2のサブスタックに連結される第2の側面とを有し、
該第1および第2のサブスタックは、
複数の交互に積層された正および負の単極電極ユニットであって、それぞれの単極電極ユニットは各々、伝導性経路の両側面上に第1の活性材料電極層および第2の活性材料電極層を備える、複数の交互に積層された正および負の単極電極ユニットと、
隣接する単極電極ユニットの間に提供されたセパレータと
を備え、
該正の単極電極ユニットの伝導性経路は、電子的に連結されて正のタブ付き電流バスを形成し、該負の単極電極ユニットの伝導性経路は、電子的に連結されて負のタブ付き電流バスを形成し、
該第1のサブスタックの該負のタブ付き電流バスは、該双極伝導性基板の第1の側面に連結され、該第2のサブスタックの該正のタブ付き電流バスは、該双極伝導性基板の第2の側面に連結される、デバイス。 - 前記伝導性経路は、穿孔を備える、請求項1に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記穿孔は、相互から均一に離間される、請求項2に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記穿孔は、均一なように寸法設定される、請求項2に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記第1の活性材料電極層と第2の活性材料電極層とは、前記伝導性経路の中の穿孔を介して相互に物理的に結合する、請求項2に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記伝導性経路の表面積は、前記穿孔によって画定される面積に等しい、請求項2に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記第1および第2の活性材料電極層は、金属発泡体を備え、該金属発砲体は、その中に堆積されるそれぞれの活性材料を有する、請求項1に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記第1および第2の活性材料電極層は、それぞれの活性材料を備え、該それぞれの活性材料は、バインダを使用して前記伝導性経路に結合される、請求項1に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記伝導性経路は、複数の伝導性フランジを備える、請求項1に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記正のタブ付き電流バスは、前記正の単極電極ユニットの複数の伝導性フランジを備え、前記負のタブ付き電流バスは、前記負の単極電極ユニットの複数の伝導性フランジを備える、請求項9に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記伝導性フランジは、折り畳まれて、前記それぞれの正および負のタブ付き電流バスを形成する、請求項9に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記折り畳まれたタブは、積層方向に整列させられる、請求項11に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記タブ付き電流バスは、積層方向に平行である、請求項12に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記正および負のタブ付き電流バスは、電子接続タブを備え、該電子接続タブは、前記それぞれのタブ付き電流バスの一端において、積層方向から外向きに突出する、請求項11に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記第1のサブスタックの電子接続タブは、前記双極伝導性基板の周りで前記第2のサブスタックの電子接続タブと整列し、該第1および第2のサブスタックの該電子接続タブは、該双極伝導性基板に電子的に連結され、および相互に電子的に連結される、請求項14に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記電子接続タブは、前記双極伝導性基板に平行に突出する、請求項14に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記電子接続タブは、前記サブスタックの側面を横断して、および前記積層方向に垂直に延在する、請求項14に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記双極伝導性基板の第1および第2の側面は、前記第1および第2のサブスタックから外向きに延在して、外向きに延在している部分を形成し、該第1および第2のサブスタックの電子接続タブは、該双極伝導性基板の外向きに延在している部分に連結される、請求項14に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 硬質停止部をさらに備え、該硬質停止部は、前記双極伝導性基板を包囲し、前記外向きに延在している部分の周りで、該双極伝導性基板を前記第1および第2のサブスタックの電子接続タブに連結する、請求項18に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記硬質停止部は、封止リングを受容するための周辺溝を該硬質停止部の外側リムの中に備える、請求項19に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記封止リングは、前記第1のサブスタックからの電解質が、前記第2のサブスタックからの電解質と統合することを防止する、請求項20に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記硬質停止部は、複数の切り欠きを備え、該複数の切り欠きは、前記第1および第2のサブスタックの電子接続タブを整列させて、前記双極伝導性基板に関して該電子接続タブを相互に対して方向付ける、請求項19に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 双極エネルギー貯蔵デバイスであって、該デバイスは、
双極電極ユニットを備え、該双極電極ユニットは、
複数の交互する正および負の単極電極ユニットの第1のサブスタックであって、それぞれの単極電極ユニットは各々、第1の伝導性経路を備える、第1のサブスタックと、
複数の交互する正および負の単極電極ユニットの第2のサブスタックであって、それぞれの単極電極ユニットは各々、第2の伝導性経路を備える、第2のサブスタックと、
双極伝導性基板であって、該双極伝導性基板は、該第1のサブスタックに連結される第1の側面および該第2のサブスタックに連結される第2の側面を有する、双極伝導性基板と
を備える、デバイス。 - 前記双極伝導性基板は、前記第1のサブスタックの交互する負の単極電極ユニットのための前記第1の伝導性経路に連結され、該双極伝導性基板は、前記第2のサブスタックの交互する正の単極電極ユニットのための前記第2の伝導性経路に連結される、請求項23に記載の双極エネルギー貯蔵デバイス。
- エネルギー貯蔵デバイスのためのサブスタックであって、該サブスタックは、
正の端末単極電極ユニットと、
負の端末単極電極ユニットと、
該正の端末単極電極ユニットと負の端末単極電極ユニットとの間に積層された複数の交互する正および負の単極電極ユニットであって、それぞれの単極電極ユニットは各々、
導性経路の両側面上の第1の活性材料電極層および第2の活性材料電極層と、
隣接する単極電極ユニットの間に提供されたセパレータと
を備える、複数の交互する正および負の単極電極ユニットと
を備え、
該サブスタックは、該正または負の端末単極電極ユニットおよび該交互する正および負の単極電極ユニットのそれぞれの正または負の伝導性経路を介して、双極伝導性基板と連結するように構成されている、サブスタック。 - 前記正および負の端末単極電極ユニットは、それぞれの伝導性経路を備え、該それぞれの伝導性経路は、前記交互する正および負の単極電極ユニットに面する該伝導性経路の側面上に活性材料電極層を有する、請求項25に記載のサブスタック。
- 前記伝導性経路は、複数の伝導性フランジを備える、請求項25に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記正の単極電極ユニットの前記複数の伝導性フランジを備える正のタブ付き電流バスと、前記負の単極電極ユニットの前記複数の伝導性フランジを備える負のタブ付き電流バスとをさらに備える、請求項27に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記伝導性フランジは、前記それぞれの正および負のタブ付き電流バスを形成するように折り畳まれる、請求項28に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記折り畳まれたタブは、積層方向に整列させられる、請求項29に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記タブ付き電流バスは、前記積層方向に平行である、請求項30に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 前記正および負のタブ付き電流バスは、電子接続タブを備え、該電子接続タブは、前記それぞれのタブ付き電流バスの一端において、前記積層方向から外向きに突出する、請求項29に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
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