JP2018510452A - 充電式バッテリのためのアノード繊維の拘束 - Google Patents
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Abstract
概して、本開示は、アノード繊維を拘束することによって充電式バッテリの充電サイクル寿命を延ばすためのシステム、装置、及び方法を提供する。バッテリは、バッテリの放電中に電子を生成するように構成された多孔質アノード繊維を含むことができる。バッテリは、バッテリの第１端子への導電路を提供するように構成されたアノード電流コレクタ層も含むことができ、アノード電流コレクタ層は、バッテリの放電中にアノード電極の膨張を抑制するためにアノード繊維上に同心状に配置される。アノード繊維の多孔度によって、膨張の抑制方向が、アノード繊維の多孔質領域の体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている。
Description
本開示は、充電式バッテリに関し、より具体的には、バッテリ充電サイクルの寿命を延ばすための充電式バッテリ内のアノード繊維の拘束に関する。
比較的高いエネルギー密度を有する充電式バッテリは、益々、電子装置、特にスマートフォンやラップトップ等のモバイル装置の重要な構成要素となっている。しかしながら、これらのバッテリがエネルギー貯蔵能力を著しく失う前に行うことができる充放電サイクルの回数は限られている。これは、少なくとも部分的に、充電中のバッテリのアノードの膨張によるものであり、その結果、時間の経過とともにアノード材料の機械的膨張及び最終的な破壊を招く可能性がある。これらの高いエネルギー密度の充電式バッテリは、典型的に、再購入するのに費用がかかる。さらに、一部の装置では、交換プロセスが難しく、技術的な専門知識と特殊なツールが必要になる場合がある。一部の装置では、交換プロセスには非常に高いコストがかかり、基本的に交換を不可能にさせている。殆どの場合に、バッテリが予想よりも早く劣化すると、ユーザは不満を感じる。
特許請求の範囲に記載された主題の実施形態の特徴及び利点は、図面を参照し、以下の詳細な説明が進むにつれて明らかになるであろう。図面では、同様の参照符号は同様の部品を示す。
以下の詳細な説明は、例示的な実施形態を参照して進められるが、その多くの代替形態、変更形態、及び変形形態が当業者には明らかであろう。
以下の詳細な説明は、例示的な実施形態を参照して進められるが、その多くの代替形態、変更形態、及び変形形態が当業者には明らかであろう。
概して、本開示は、アノード繊維を拘束することによって充電式バッテリの充電サイクル寿命を延ばすためのシステム、装置、及び方法を提供する。以下に説明するように、そのような繊維によって、コンフォーマルな（conformal）形状を含む新規なバッテリ形式の構築を可能にする。
バッテリのアノードは、通常、バッテリの通常動作（放電サイクル）中に電子を生成するように構成される。しかしながら、充電中に、入ってくるイオンを吸収することによって生じるアノードの機械的膨張は、アノード材料の機械的破損をもたらし、時間の経過とともにバッテリの寿命を短くする可能性がある。本開示のいくつかの実施形態と一致するバッテリは、多孔質アノード繊維と、このアノード繊維を円筒状に包み込むアノード電流コレクタ層とを提供する。アノード電流コレクタ層は、バッテリの充電中のアノード繊維の外側への膨張を抑制するように構成することができる。アノード繊維の多孔度によって、膨張の抑制方向が繊維の多孔質領域内に半径方向内側に向けられるようにする。いくつかの実施形態では、アノード繊維は、膨張が半径方向内側に向けられるよう、中空コアで構成してもよい。アノード電流コレクタ層を包み込む円筒形状は、アノード材料の膨張によって加えられる圧力に耐えるのに最も効果的な構造であり得る。
図１は、カソード電流コレクタ１０２、カソード１０４、セパレータ（つまり、セパレータ／電解質）層１０６、アノード１０８、及びアノード電流コレクタ１１０を含むバッテリ１１６内の構成要素の典型的な構成１００を示す。適切な封入容器又はケース（図示せず）も一般に提供され得る。バッテリ１１６は、例えば、ニッケルカドミウム、ニッケル金属水素化物、又はリチウムイオン化学物質を使用するバッテリを含む、任意のタイプの充電式バッテリであってもよい。
アノード１０８は、一般に、バッテリ放電中に電解質１０６とカソード１０４との化学反応プロセスによって電子を生成し得る材料を含む。アノード電流コレクタは、これらの電子が（例えば、銅端子を介して）バッテリから流出する比較的低い抵抗の経路を提供する。カソード１０４は、一般に、例えば、カソード電流コレクタ１０２（例えば、バッテリの第２の銅端子）を介して電子を受け取ることができる材料を含む。バッテリ１１６の端子同士の間が接続されると、アノード電流コレクタ１１０からカソード電流コレクタ１０２への電子の流れ１１４によって、バッテリが放電される。バッテリが放電している間に、正イオン１１２がアノード１０８からセパレータ層又は電解質１０６を通ってカソード１０４に流れ、電子の流れをバランスさせる。
セパレータ層１０６は、カソード１０４とアノード１０８との間の電気絶縁体として作用するように構成される。いくつかの実施形態では、セパレータ層１０６自体が電解質として作用し、イオンを通過させ、電子を遮断し得る。そのような場合に、セパレータ層は固体であってもよい。他の実施形態では、セパレータ層１０６は多孔質であってもよく、液体又はゲル電解質が細孔に透過して、イオン輸送機構を提供するようにしてもよい。
アノード電流コレクタ１１０は、バッテリ端子接続部の第１の側として機能し（又は、その第１の側に接続され）、これは、放電中に電子源であるため、一般的に負端子と呼ばれる。カソード電流コレクタ１０２は、同様に、バッテリ端子接続部の第２の側として機能し（又は、その第２の側に接続され）、一般的に正端子と呼ばれる。
バッテリ１１６は、カソード電流コレクタ１０２及びアノード電流コレクタ１１０に適切な電圧電位差を印加することによって、電子の流れ１１４及びイオンの流れ１１２を逆転させることによって再充電することができる。充電又は再充電サイクル中に、多くのタイプのアノード材料は、膨張の影響を受ける。例えば、シリコンアノードを用いるリチウムイオンバッテリでは、シリコンは、リチウムイオンを吸収するにつれて体積が４００％以上膨張することがある。この膨張は、時間の経過とともにアノード材料の破損を生じさせ、バッテリの早期劣化及び寿命の短縮を引き起こす可能性がある。
図２Ａ及び図２Ｂは、本開示に一致する拘束されたアノード繊維の例示的な実施形態を示す。これら両方の図において、アノード材料は、繊維２０２として引き抜かれて示されている。円筒形の膨張抑制アノード電流コレクタ２０４が、アノード材料２０２の繊維を同心状に包み込むように示されている。アノード拘束型（constraining
anode）電流コレクタ２０４は、電子の流れのための比較的低い抵抗の導電路を提供する。いくつかの実施形態では、アノード拘束型電流コレクタ２０４は、銅であってもよい。
anode）電流コレクタ２０４は、電子の流れのための比較的低い抵抗の導電路を提供する。いくつかの実施形態では、アノード拘束型電流コレクタ２０４は、銅であってもよい。
図２Ａに示されるアノード材料２０２は、多孔質であるように構成される。（例えば、充電中に）材料が膨張すると、アノード拘束型電流コレクタ２０４は、膨張を強制的に半径方向内側に押し戻して、その材料自体の細孔内に入れる。換言すれば、多孔質領域の空の体積は、材料が膨張するにつれて減少する。あるいはまた、図２Ｂに示されるアノード材料２０２は、中空コア２０６を含むように構成される。（例えば、充電中に）材料が膨張すると、アノード拘束型電流コレクタ２０４は、膨張を強制的に半径方向内側に押し戻して中空コア内に入れる。換言すれば、中空コア領域の体積は、材料が膨張するにつれて減少する。アノード拘束型電流コレクタ２０４の円筒形状は、アノード材料２０２の膨張によって及ぼされる圧力に耐え、その膨張を内側に向け直す（押し戻す）ための比較的効率的な幾何学的構造であってもよい。
いくつかの実施形態では、アノード材料２０２は、多孔質且つ中空コアであってもよい。いくつかの実施形態では、アノード材料２０２は、シリコン、スズ、又は容量が例えば数百又は数千ミリアンペア時／グラムで測定される任意の他の適切な高容量性材料であってもよい。アノード拘束型電流コレクタ２０４は、一般に、アノード２０２と電解質との間のイオンの流れを可能にするために、多孔質に構成してもよい。
図３は、本開示に一致する拘束されたアノード繊維及びセパレータ層の例示的な実施形態３００を示す。セパレータ層３０２は、アノード（つまり、アノード電流コレクタ）とカソード（つまり、カソード電流コレクタ）との間の電解質及びイオンの流れを可能にする電解質材料を含むことができる。セパレータ層は、アノード拘束型電流コレクタ２０４に同心状に配置されるように示されている。いくつかの実施形態では、セパレータ層３０２は、セラミック材料又はポリマーから製造され、固体状バッテリを形成することができ、セパレータは、電子を遮断しながらイオンを通過させる電解質の機能も提供する。他の実施形態では、セパレータ層は、湿潤電解質（例えば、液体又はゲル）で浸透されてもよい。結果として得られるアノードアッセンブリ３０４（アノード繊維２０２、アノード拘束型電流コレクタ２０４、及びセパレータ層３０２を含む）は、以下により詳細に説明されるように、充電式バッテリ用の基礎的要素を提供することができる。
図４は、本開示に一致するバッテリ又はバッテリセルの例示的な実施形態の断面図４００を示す。バッテリセル４００は、２次元平面構成で配置された複数のアノードアッセンブリ３０４（各アノードアッセンブリが、アノード繊維２０２、アノード拘束型電流コレクタ２０４、及びセパレータ層３０２を含む）を含むように示されており、各アノードアッセンブリは、隣接するアノードアッセンブリに実質的に平行に延びているが、特定の整列をする必要はない。アッセンブリ３０４は、カソード材料４０２に埋め込まれ、次に頂部カソード電流コレクタシート４０４と底部カソード電流コレクタシート４０６との間に入れられている。得られた平面状又はマット形状のバッテリセルは、バッテリ電力を必要とする装置又は用途に適合する所望の形状に成形又は適合する（conform）ように引き伸ばし可能であり得る。当然ながら、より大きなバッテリを形成するために任意数のバッテリセル４００を組み合わせて、十分に高いレベルのアンペア時容量を提供し、任意の所望の形状を形成することができる。
図５は、本開示に一致するバッテリアッセンブリの例示的な実施形態５００を示す。バッテリ４００は、上から視た斜視図で示されている。頂部カソード電流コレクタシート４０４が示されているが、簡単のため、底部シート及びカソード材料はこの図に示されていない。各アノードアッセンブリ３０４のアノード拘束型電流コレクタ２０４は、アノード接続タブ５０２によって互いに電気的に結合してもよく、アノード接続タブは、バッテリ端子接続部の第１の側（例えば、負端子）として機能する（又は、第１の側に接続される）。いくつかの実施形態では、アノード接続タブ５０２は、レーザ溶接、導電性接着剤、又は任意の他の適切な手段によって取り付けてもよい。頂部及び／又は底部カソード電流コレクタシート４０４、４０６は、同様に、バッテリ端子接続部の第２の側（例えば、正端子）として機能する（又は、第２の側に接続される）。
図６は、本開示に一致するバッテリセルの繊維アッセンブリの別の例示的な実施形態の断面図６００を示す。この実施形態では、完全なバッテリセルの繊維アッセンブリ６０２が、カソード材料層４０２及びカソード電流コレクタ・シェル層に入れられたコア・アノードアッセンブリ３０４（アノード繊維２０２、アノード拘束型電流コレクタ２０４、及びセパレータ層３０２を含む）を含むように示されている。カソード材料層４０２及びカソード電流コレクタ・シェル層６０４は、コア・アノードアッセンブリ３０４の周りに、例えばコンフォーマルな導電性コーティングとして同心状に配置される。得られたバッテリセルの繊維アッセンブリ６０２は、例えば装置のプラスチックケース内に構造要素として組み込むことができる繊維の形態で完全なバッテリとして機能することができる。いくつかの実施形態では、バッテリセルの複数の繊維アッセンブリ６０２をストランド（strand）として一緒に織り合せて、完全なバッテリを形成することができる。これらの織られたストランドは、バッテリを、電力を必要とする装置又は用途に適合する所望の形状に適合させるか又はこのような装置の構造内に組み込むことを可能にする柔軟な布地を形成することができる。
本明細書に記載の実施形態は、発生し得る内部短絡を、短絡ストランド上の比較的薄い電流コレクタの抵抗によって阻止することができるので、従来のバッテリ構成に対して安全性のレベルをさらに高めることができる。
図７は、本開示に一致する別の例示的な実施形態の動作７００のフローチャートを示す。この動作は、充電サイクル寿命を延したバッテリの製造方法を提供する。動作７１０において、アノード材料が繊維内の長さ方向に引き入れられる。アノード材料は、充電式バッテリの放電中に電子を生成するように構成される。アノード材料は、シリコン、スズ、又は任意の他の適切な材料とすることができる。いくつかの実施形態では、繊維は、比較的低コストの方法で連続繊維を生成するリール・ツー・リール（reel to reel）製造プロセスを使用して製造することができる。動作７２０において、アノード電流コレクタ層が繊維上に同心状に配置され、バッテリの充電中に繊維の膨張を抑制する。アノード電流コレクタ層は、バッテリの第１端子への導電路を提供するように構成される。動作７３０において、セパレータ層がアノード電流コレクタ層上に同心状に配置され、このセパレータ層によって、アノード電流コレクタ層とバッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つアノード電流コレクタ層とカソードとの間のイオンの流れを可能にする。
図８は、本開示に一致するコンフォーマルなバッテリに結合された装置の例示的な実施形態８００を示す。このような用途は、固体電解質の使用によって促進され、バッテリを固体状態（すなわち、液体電解質が存在しない状態）にすることを可能にする。装置８０２は、例えば、スマートフォン、スマートタブレット、携帯情報端末（PDA）、モバイルインターネット装置（MID）、コンバーチブルタブレット、ノートブック又はラップトップ、或いは任意の他の適切な装置等のモバイルプラットフォーム又はコンピュータ装置であってもよい。しかしながら、本明細書に記載の装置の実施形態は、モバイルプラットフォームに限定されず、いくつかの実施形態では、装置８０２は、ワークステーション又はデスクトップコンピュータであってもよいことが理解されよう。このようなコンピュータ及び通信アプリケーションに加えて、繊維ベースのバッテリの他の実施形態は、例えば、バッテリ繊維を衣服に織り込むこと、又はそれらバッテリ繊維を規則的なバッテリ形状には不向きな装置、例えば眼鏡のフレームに沿って埋め込むこと等のより困難性を有する用途に展開することができる。
装置は、一般的に、タッチスクリーン、液晶ディスプレイ（LCD）、又は任意の他の適切なディスプレイタイプ等のスクリーン又は表示要素８０８を介してユーザに様々なインタフェースを提示することができる。様々なユーザインターフェィス制御及びボタン８０６も装置８０２によって使用することができる。コンフォーマルなバッテリアッセンブリ８０４は、装置８０２に取り付け、装置８０２に給電するように構成することができる。コンフォーマルなバッテリアッセンブリ８０４は、先に説明したようなアノード繊維２０２及びアノード拘束型電流コレクタ２０４を含むように構成することができる。
装置８０２は、バッテリ８０４からの電力を必要とする任意数のプロセッサ、メモリ、入出力回路、有線又は無線ネットワークインタフェース回路等を含むことができる。いくつかの実施形態では、プロセッサは、任意数のプロセッサコアとして実装することができる。プロセッサ（又はプロセッサコア）は、例えば、マイクロプロセッサ、埋込み式プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（DSP）、グラフィックスプロセッサ（GPU）、ネットワークプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はコードを実行するように構成された他の装置等の任意のタイプのプロセッサであってもよい。プロセッサは、マルチスレッド処理コアであってもよい。メモリは、プロセッサに結合してもよく、当業者に知られている又は利用可能なような、多種多様なメモリのいずれかであってもよい。プロセッサ及びメモリは、１つ又は複数のユーザプリケーション又は他のソフトウェアを格納、ホスティング及び／又は実行するように構成してもよいことが理解されよう。これらのアプリケーションは、例えば、任意のタイプの計算、通信、データ管理、データ記憶及び／又はユーザインターフェースタスクを含むことができるが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、これらのアプリケーションは、装置８０２の任意の他のコンポーネントを使用するか、又はそのコンポーネントと相互作用することができる。
いくつかの実施形態では、装置８０２の様々なコンポーネントをシステムオンチップ（SoC）アーキテクチャで組み合わせてもよいことが理解されよう。いくつかの実施形態では、コンポーネントは、ハードウェアコンポーネント、ファームウェアコンポーネント、ソフトウェアコンポーネント、或いはハードウェア、ファームウェア、又はソフトウェアの任意の適切な組合せであってもよい。
本明細書の任意の実施形態で使用される「回路」という用語は、例えば、ハードウェア回路、１つ又は複数の個々の命令処理コアを含むコンピュータプロセッサ等のプログラマブル回路、状態マシン回路、及び／又はプログラマブル回路によって実行される命令を格納するファームウェアを単独で又は任意の組合せで含むことができる。回路は、１つ又は複数の命令を実行して、本明細書で説明する１つ又は複数の動作を実行するように構成されたプロセッサ及び／又はコントローラを含むことができる。命令は、例えば、先に述べた動作のいずれかを回路に実行させるように構成されたアプリケーション、ソフトウェア、ファームウェア等として具体化することができる。ソフトウェアは、コンピュータ可読記憶装置に記録されたソフトウェアパッケージ、コード、命令、命令セット及び／又はデータとして具体化することができる。ソフトウェアは、任意数のプロセスを含むように具体化又は実装してもよく、プロセスは、階層的な態様で任意数のスレッド等を含むように実施又は実装してもよい。ファームウェアは、メモリ装置内にハードコードされた（例えば、不揮発性の）コード、命令、又は命令セット及び／又はデータとして具現化してもよい。回路は、例えば、集積回路（IC）、特定用途向け集積回路（ASIC）、システムオンチップ（SoC）、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、サーバ、スマートフォン等のより大きなシステムの一部を形成する回路としてまとめて又は個別に具体化することができる。他の実施形態は、プログラマブル制御装置によって実行されるソフトウェアとして実現してもよい。本明細書で説明するように、様々な実施形態は、ハードウェア要素、ソフトウェア要素、又はそれらの任意の組合せを使用して実現してもよい。ハードウェア要素の例には、プロセッサ、マイクロプロセッサ、回路、回路素子（例えば、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、インダクタ等）、集積回路、特定用途向け集積回路（ASIC）、プログラマブル論理装置（PLD）、デジタル信号プロセッサ（DSP）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、論理ゲート、レジスタ、半導体装置、チップ、マイクロチップ、チップセット等が含まれる。
本明細書で説明する動作のいずれも、１つ又は複数のプロセッサによって実行されたときに１つ又は複数の動作を実行する命令を個々に又は組み合わせて格納した１つ又は複数の記憶装置において実施することができる。また、本明細書で説明される動作は、個別に、又は任意のサブコンビネーションで実行してもよいことが意図される。従って、（例えば、フローチャートのいずれかの）動作の全てを実行する必要はなく、本開示は、当業者によって理解されるように、そのような動作の全てのサブコンビネーションが有効にされることを明示的に意図している。また、本明細書で説明される動作は、複数の異なる物理的位置で処理構造等の複数の物理的装置に亘って分散してもよいことが意図される。記憶装置は、例えば、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＷ、及び磁気光ディスク等の任意のタイプのディスク、読取り専用メモリ（ROM）、ダイナミック及びスタティックＲＡＭ等のランダムアクセスメモリ（RAM）、消去可能なプログラマブル読取り専用メモリ（EPROM）、電気的消去可能なプログラマブル読取り専用メモリ（EEPROM）、フラッシュメモリ、ソリッドステートディスク（SSD）、磁気又は光カード、又は電子命令を記憶するのに適した任意のタイプの媒体等の半導体装置等の任意のタイプの有形の装置を含むことができる。
従って、本開示は、拘束されたアノード繊維の使用による充電式バッテリの充電サイクル寿命を延ばすためのシステム、装置及び方法を提供する。以下の実施例は、更なる実施形態に関する。
実施例１によれば、充電サイクル寿命が延長されたバッテリが提供される。バッテリは、バッテリの放電中に電子を生成する多孔質アノード繊維と；バッテリの第１端子への導電路を提供するアノード電流コレクタ層であって、アノード電流コレクタ層は、バッテリの充電中にアノード繊維の膨張を抑制するためにアノード繊維上に同心状に配置される、アノード電流コレクタ層と；を含むことができる。
実施例２は、実施例１の主題を含むことができ、アノード繊維の膨張の抑制方向は、アノード繊維の多孔質領域の体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている。
実施例３は、実施例１及び２の主題を含むことができ、多孔質アノード繊維は中空コアをさらに含み、アノード繊維の膨張の抑制方向は、中空コアの体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている。
実施例４は、実施例１〜３の主題を含むことができ、アノード電流コレクタ層上に同心状に配置されたセパレータ層をさらに含み、このセパレータ層によって、アノード電流コレクタ層とバッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つアノード電流コレクタ層とカソードとの間のイオンの流れを可能にする。
実施例５は、実施例１〜４の主題を含むことができ、複数のアッセンブリをさらに含み、各アッセンブリは、アノード繊維、アノード電流コレクタ層、及びセパレータ層から構成されるアッセンブリを含み、複数のアッセンブリは、平面構成で互いに平行に配置され、且つカソード材料に埋め込まれ、カソード材料は、頂部及び底部カソード電流コレクタシート内に収容される。
実施例６は、実施例１〜５の主題を含むことができ、平面構成のアッセンブリは、バッテリによって給電される装置の形状因子に適合する形状に成型される。
実施例７は、実施例１〜６の主題を含むことができ、セパレータ層上に同心状に配置されたカソード材料層と、このカソード材料層上に同心状に配置されたカソード電流コレクタ層と、をさらに含む。
実施例８は、実施例１〜７の主題を含むことができ、アノード繊維は、シリコン又はスズを含む。
実施例９によれば、バッテリに使用するためのアノードが提供される。アノードは、繊維内の長さ方向に引き入れられた多孔質アノード材料であって、バッテリの放電中に電子を生成するアノード材料と；バッテリの第１端子への導電路を提供するアノード電流コレクタ層であって、バッテリの充電中に繊維の膨張を抑制するために繊維上に同心状に配置されるアノード電流コレクタ層と；を含むことができる。
実施例１０は、実施例９の主題を含むことができ、繊維の膨張の抑制方向は、アノード材料の多孔質領域の体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている。
実施例１１は、実施例９及び１０の主題を含むことができ、アノード電流コレクタ層上にセパレータ層が同心状に配置されており、セパレータ層によって、アノード電流コレクタ層とバッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つアノード電流コレクタ層とカソードとの間のイオンの流れを可能にする。
実施例１２は、実施例９〜１１の主題を含むことができ、アノード材料は、シリコン又はスズを含む。
実施例１３によれば、バッテリに使用するためのアノードが提供される。アノードは、繊維内の長さ方向に引き入れられたアノード材料であって、繊維は中空コアで構成され、アノード材料はバッテリの放電中に電子を生成する、アノード材料と；バッテリの第１端子への導電路を提供するアノード電流コレクタ層であって、バッテリの充電中に繊維の膨張を抑制するために繊維上に同心状に配置されるアノード電流コレクタ層と；を含む。
実施例１４は、実施例１３の主題を含むことができ、繊維の膨張の抑制方向は、中空コアの体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている。
実施例１５は、実施例１３及び１４の主題を含むことができ、アノード電流コレクタ層上にセパレータ層が同心状に配置され、セパレータ層によって、アノード電流コレクタ層とバッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つアノード電流コレクタ層とカソードとの間のイオンの流れを可能にする。
実施例１６は、実施例１３〜１５の主題を含むことができ、アノード材料は、シリコン又はスズを含む。
実施例１７によれば、バッテリの製造方法が提供される。この製造方法は、繊維内の長さ方向にアノード材料を引き入れるステップであって、アノード材料はバッテリの放電中に電子を生成するステップと；バッテリの充電中に繊維の膨張を抑制するために繊維上にアノード電流コレクタ層を同心状に配置するステップであって、アノード電流コレクタ層は、バッテリの第１端子への導電路を提供する、配置するステップと；を含む。
実施例１８は、実施例１７の主題を含むことができ、アノード材料は、多孔質であり、且つ繊維の膨張の抑制方向が、アノード材料の多孔質領域の体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられるように構成される。
実施例１９は、実施例１７及び１８の主題を含むことができ、繊維は中空コアで構成され、繊維の膨張の抑制方向は、中空コアの体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている。
実施例２０は、実施例１７〜１９の主題を含むことができ、アノード電流コレクタ層上にセパレータ層を同心状に配置して、セパレータ層によって、アノード電流コレクタ層とバッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つアノード電流コレクタ層とカソードとの間のイオンの流れを可能にするステップをさらに含む。
実施例２１は、実施例１７〜２０の主題を含むことができ、繊維、アノード電流コレクタ層、及びセパレータ層から構成される複数のアッセンブリを、平面構成で互いに平行に配置するステップと；
複数のアッセンブリをカソード材料に埋め込むステップと；
カソード材料を頂部及び底部カソード電流コレクタシート内に収容するステップと；をさらに含む。
複数のアッセンブリをカソード材料に埋め込むステップと；
カソード材料を頂部及び底部カソード電流コレクタシート内に収容するステップと；をさらに含む。
実施例２２は、実施例１７〜２１の主題を含むことができ、平面構成のアッセンブリを、バッテリによって給電される装置の形状因子に適合する形状に成型するステップをさらに含む。
実施例２３は、実施例１７〜２２の主題を含むことができ、セパレータ層上にカソード材料層を同心状に配置するステップと、カソード材料層上にカソード電流コレクタ層を同心状に配置するステップと、をさらに含む。
実施例２４によれば、バッテリの製造システムが提供される。この製造システムは、繊維内の長さ方向にアノード材料を引き入れる手段であって、アノード材料はバッテリの放電中に電子を生成する、引き入れる手段と；バッテリの充電中に繊維の膨張を抑制するために、繊維上にアノード電流コレクタ層を同心状に配置する手段であって、アノード電流コレクタ層はバッテリの第１端子への導電路を提供する、配置する手段と；を含む。
実施例２５は、実施例２４の主題を含むことができ、アノード材料は、多孔質であり、且つ繊維の膨張の抑制方向が、アノード材料の多孔質領域の体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられるように構成される。
実施例２６は、実施例２４及び２５の主題を含むことができ、繊維は中空コアで構成され、繊維の膨張の抑制方向は、中空コアの体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている。
実施例２７は、実施例２４〜２６の主題を含むことができ、アノード電流コレクタ層上にセパレータ層を同心状に配置して、このセパレータ層によって、アノード電流コレクタ層とバッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つアノード電流コレクタ層とカソードとの間のイオンの流れを可能する手段をさらに含む。
実施例２８は、実施例２４〜２７の主題を含むことができ、繊維、アノード電流コレクタ層、及びセパレータ層から構成される複数のアッセンブリを、平面構成で互いに平行に配置する手段と；複数のアッセンブリをカソード材料に埋め込む手段と；カソード材料を頂部及び底部カソード電流コレクタシート内に収容する手段と；をさらに含む。
実施例２９は、実施例２４〜２８の主題を含むことができ、平面構成のアッセンブリを、バッテリによって給電される装置の形状因子に適合する形状に成型する手段をさらに含む。
実施例３０は、実施例２４〜２９の主題を含むことができ、セパレータ層上にカソード材料層を同心状に配置する手段と、カソード材料層上にカソード電流コレクタ層を同心状に配置する手段と、をさらに含む。
本明細書で使用される用語及び表現は、限定ではなく説明の観点で使用され、そのような用語及び表現の使用において、図示及び記載された特徴（又はその一部）の均等物を排除する意図はなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能であることが理解される。従って、特許請求の範囲は、そのような均等物の全てを網羅することを意図している。様々な特徴、態様、及び実施形態について本明細書で説明してきた。特徴、態様、及び実施形態は、当業者に理解されるように、互いの組合せだけでなく、変形及び修正も可能である。従って、本開示は、そのような組合せ、変形、及び修正を包含するものとみなすべきである。
Claims (25)
- バッテリであって、当該バッテリは、
当該バッテリの放電中に電子を生成する多孔質アノード繊維と、
当該バッテリの第１端子への導電路を提供するアノード電流コレクタ層であって、当該バッテリの充電中に前記アノード繊維の膨張を抑制するために前記アノード繊維上に同心状に配置されるアノード電流コレクタ層と、を含む、
バッテリ。 - 前記アノード繊維の前記膨張の抑制方向は、前記アノード繊維の多孔質領域の体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている、請求項１に記載のバッテリ。
- 前記多孔質アノード繊維は中空コアをさらに含み、前記アノード繊維の前記膨張の抑制方向は、前記中空コアの体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている、請求項１に記載のバッテリ。
- 前記アノード電流コレクタ層上に同心状に配置されたセパレータ層をさらに含み、該セパレータ層によって、前記アノード電流コレクタ層と当該バッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つ前記アノード電流コレクタ層と前記カソードとの間のイオンの流れを可能にする、請求項１に記載のバッテリ。
- 複数のアッセンブリをさらに含み、各アッセンブリは、前記アノード繊維、前記アノード電流コレクタ層、及び前記セパレータ層から構成されるアッセンブリを含み、前記複数のアッセンブリは、平面構成で互いに平行に配置され、且つカソード材料に埋め込まれ、該カソード材料は、頂部及び底部カソード電流コレクタシート内に収容される、請求項４に記載のバッテリ。
- 前記平面構成のアッセンブリは、当該バッテリによって給電される装置の形状因子に適合する形状に成型される、請求項５に記載のバッテリ。
- 前記セパレータ層上に同心状に配置されたカソード材料層と、該カソード材料層上に同心状に配置されたカソード電流コレクタ層と、をさらに含む、請求項４に記載のバッテリ。
- 前記アノード繊維は、シリコン又はスズを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバッテリ。
- バッテリに使用するためのアノードであって、当該アノードは、
繊維内の長さ方向に引き入れられた多孔質アノード材料であって、前記バッテリの放電中に電子を生成するアノード材料と、
前記バッテリの第１端子への導電路を提供するアノード電流コレクタ層であって、前記バッテリの充電中に前記繊維の膨張を抑制するために前記繊維上に同心状に配置されるアノード電流コレクタ層と、を含む、
アノード。 - 前記繊維の前記膨張の抑制方向は、前記アノード材料の多孔質領域の体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている、請求項９に記載のアノード。
- 前記アノード電流コレクタ層上にセパレータ層が同心状に配置されており、該セパレータ層によって、前記アノード電流コレクタ層と前記バッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つ前記アノード電流コレクタ層と前記カソードとの間のイオンの流れを可能にする、請求項９又は１０に記載のアノード。
- 前記アノード材料は、シリコン又はスズを含む、請求項９又は１０に記載のアノード。
- バッテリに使用するためのアノードであって、当該アノードは、
繊維内の長さ方向に引き入れられたアノード材料であって、前記繊維は中空コアで構成され、前記アノード材料は、前記バッテリの放電中に電子を生成するように構成される、アノード材料と、
前記バッテリの第１端子への導電路を提供するアノード電流コレクタ層であって、前記バッテリの充電中に前記繊維の膨張を抑制するために前記繊維上に同心状に配置されるアノード電流コレクタ層と、を含む、
アノード。 - 前記繊維の前記膨張の抑制方向は、前記中空コアの体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている、請求項１３に記載のアノード。
- 前記アノード電流コレクタ層上にセパレータ層が同心状に配置され、該セパレータ層によって、前記アノード電流コレクタ層と前記バッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つ前記アノード電流コレクタ層と前記カソードとの間のイオンの流れを可能にする、請求項１３又は１４に記載のアノード。
- バッテリの製造方法であって、当該製造方法は、
繊維内の長さ方向にアノード材料を引き入れるステップであって、該アノード材料は前記バッテリの放電中に電子を生成する、引き入れるステップと、
前記バッテリの充電中に前記繊維の膨張を抑制するために前記繊維上にアノード電流コレクタ層を同心状に配置するステップであって、前記アノード電流コレクタ層は、前記バッテリの第１端子への導電路を提供する、配置するステップと、を含む、
製造方法。 - 前記アノード材料は、多孔質であり、且つ前記繊維の前記膨張の抑制方向が、前記アノード材料の多孔質領域の体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられるように構成される、請求項１６に記載の製造方法。
- 前記繊維は中空コアで構成され、前記繊維の前記膨張の抑制方向は、前記中空コアの体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている、請求項１６又は１７に記載の製造方法。
- 前記アノード電流コレクタ層上にセパレータ層を同心状に配置して、該セパレータ層によって、前記アノード電流コレクタ層と前記バッテリのカソードとの間を電気的に絶縁し、且つ前記アノード電流コレクタ層と前記カソードとの間のイオンの流れを可能にするステップをさらに含む、請求項１６に記載の製造方法。
- 前記繊維、前記アノード電流コレクタ層、及び前記セパレータ層から構成される複数のアッセンブリを、平面構成で互いに平行に配置するステップと、
前記複数のアッセンブリをカソード材料に埋め込むステップと、
前記カソード材料を頂部及び底部カソード電流コレクタシート内に収容するステップと、をさらに含む、請求項１９に記載の製造方法。 - 前記平面構成のアッセンブリを、前記バッテリによって給電される装置の形状因子に適合する形状に成型するステップをさらに含む、請求項２０に記載の製造方法。
- 前記セパレータ層上にカソード材料層を同心状に配置するステップと、該カソード材料層上にカソード電流コレクタ層を同心状に配置するステップと、をさらに含む、請求項１９に記載の製造方法。
- バッテリの製造システムであって、当該製造システムは、
繊維内の長さ方向にアノード材料を引き入れる手段であって、該アノード材料は前記バッテリの放電中に電子を生成する、引き入れる手段と、
前記バッテリの充電中に前記繊維の膨張を抑制するために前記繊維上にアノード電流コレクタ層を同心状に配置する手段であって、前記アノード電流コレクタ層は、前記バッテリの第１端子への導電路を提供する、配置する手段と、を含む、
製造システム。 - 前記アノード材料は、多孔質であり、且つ前記繊維の前記膨張の抑制方向が、前記アノード材料の多孔質領域の体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられるように構成される、請求項２３に記載の製造システム。
- 前記繊維は中空コアで構成され、前記繊維の膨張の抑制方向は、前記中空コアの体積を減少させるよう、半径方向内側に向けられている、請求項２３又は２４に記載の製造システム。
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