JP2018519646A - 双極型バッテリ設計 - Google Patents

Abstract

第１の電気化学セルと第２の電気化学セルとを含む双極型バッテリが提供される。

Description

説明される実施形態は、全般的にバッテリに関する。より具体的には、本実施形態は、双極型バッテリセルに関する。

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１５年７月７日に出願された米国特許仮出願第６２／１８９，５４５号に対する優先権を主張するものであり、参照によりその内容全体が本明細書に組み入れられる。

双極型バッテリは、複数の個々の電気化学セルが、それらの電気化学セルを直列に接続する双極プレートと共に積層される設計を使用する。典型的には、各双極プレートは、双極プレートの第１の面上の正極材料と、双極プレートの第２の面上の負極材料とを有する。したがって、双極プレートが２つの隣接する電気化学セルを隔てるとき、双極プレートは一方の電気化学セルに対しては負極集電プレートとして作用し、第２の電気化学セルに対しては正極集電プレートとして作用する。双極プレートは、充電及び放電中に電流が隣接する電気化学セルの間を流れることを可能にすると共に、電気化学セル間の電気化学的遮断ももたらし、これにより、双極プレートを介して隣接する電気化学セル間にはイオン流が生じない。従来の単極型バッテリセル（直列に接続されたバッテリセルの集電プレートを接続するために金属タブが使用される）と比べると、電子は、金属タブを介したセルの外部ではなく、双極プレートを横切る非常に短い距離を移動する。これは、結果として、より均一な電流密度及びより高い電力設計をもたらし得る。

本開示による実施形態は、１）電気化学セルを、スタック中の他の電気化学セルから電気化学的に遮断する機能と、２）集電プレートに対して垂直なｚ方向でのバッテリの膨張に対処する機能とを分離する、シール設計を双極型バッテリに提供する。様々な実施形態では、双極型バッテリは、電極スタックの周辺部において２つの層に分離されている、双極プレート（双極性箔とも称される）を有する電気化学セルを含む。

いくつかの実施形態では、双極型バッテリは、第１の電気化学セルと、第２の電気化学セルと、第１の電気化学セルを第２の電気化学セルに接続する双極プレートとを備える。双極プレートは、第１の金属層と、第２の金属層とを有する。双極プレートは、接続領域と空隙領域とを有し、第１の金属層と第２の金属層との間の分離距離は、接続領域よりも空隙領域において大きい。電気化学セルは、カソードとアノードとを含み、これらはそれらの間に配設されたセパレータによって間隔が空けられている。各電気化学セルはまた、電気化学セルを気密封止するシールを有することによって電気化学的に遮断され得る。

他の実施形態では、双極型バッテリは、複数の電気化学セル、複数の双極プレート、及び複数のシールを備える。各電気化学セルは、カソード、セパレータ、及びアノードを有する。双極プレートは、隣接する電気化学セル間に境界部を形成する。各双極プレートは、第１の電気化学セルの側部を形成する第１の金属層と、第２の電気化学セルの側部を形成する第２の金属層とを有する。第１の金属層の周端部と第２の金属層の周端部とは、間隔を空けて配置されて、第１の金属層と第２の金属層との間に空隙領域を作り出す。バッテリの各電気化学セルは、シールを含む。各シールは、１つの電気化学セルの第１の双極プレートの第２の金属層の周端部と、第２の電気化学セルの第２の隣接する双極プレートの第１の金属層の周端部との間に配設されている。

他の実施形態では、双極型バッテリは、複数の電気化学シール及び複数の可撓性シールの両方を備えるように構成されている。双極型バッテリは、複数の電気化学セルであって、各電気化学セルが、カソード、セパレータ、及びアノードを有する、電気化学セルと、複数の双極プレートと、複数の電気化学的シールと、複数のエラストマーシールとを備えることができる。各双極プレートは、隣接する電気化学セル間に配設されており、隣接する電気化学セル間に境界を形成する。各双極プレートは、第１の電気化学セルの側部を形成する第１の金属層と、第２の電気化学セルの側部を形成する第２の金属層とを有する。第１の金属層の周端部と第２の金属層の周端部とは、間隔を空けて配置されて、第１の金属層と第２の金属層との間に空隙領域を作り出す。各電気化学的シールは、第１の双極プレートの第２の金属層の周端部と、第２の隣接する双極プレートの第１の金属層の周端部との間に配設されている。各可撓性シールは、第１の金属層の周端部と第２の金属層に周端部との間の空隙領域に配設されている。

様々な態様では、第１又は第２の金属層は、バランス回路に動作可能に接続され得る。様々な態様では、基準電極は、第１のセルのカソードに動作可能に接続され得る。

別の実施形態では、双極型バッテリは、エンドプレートによって分離された第１及び第２のセルスタックを含むことができる。第１のセルスタックは、第１のセルと第２のセルとを含む。第１のセルスタックは、第１の導電性プレートと第２の導電性プレートとの間に配設されている。第２のセルスタックは、第３のセルと第４のセルとを含む。第２のセルスタックは、第２導電性プレートと第３の導電性プレートとの間に配設されている。様々な実施形態では、これらのプレートの内の１つ以上は、流体伝導孔を含むことができる。この孔は、例えば、プレートを熱冷却することよって双極型バッテリを熱冷却することができる冷却流体に使用することができる。

様々な態様では、双極型バッテリは、ある特定の温度又は温度の範囲に達すると、双極型バッテリの電気抵抗を増大させて、イオン流及び出力発生を阻害、低減、又は防止する、１つ以上の感熱層を含むことができる。１つの変更例では、感熱層は、双極型バッテリの第１又は第２の金属層上に配設され得る。この熱伝導層は、各層の両側に配設され得る。更なる変更例では、セラミックが、第１又は第２の金属層の一方又は両方の上の熱伝導層上に配設され得る。

様々な態様では、双極型バッテリは、金属層とセルの電極との間に配設された１つ以上の多孔質層を含むことができる。この多孔質層は、電解質の電極への流れを可能し得る。

追加の変更例では、バリア層が、双極プレートの空隙領域の終端部に配設され得る。いくつかの変更例では、第１の金属プレート及び第２の金属プレートは、セパレータに直接接続され得る。例えば、第１の金属層及び第２の金属層は、空隙領域内でセパレータに接合され得る。あるいは、第１の金属層及び第２の金属層は、空隙領域内でバリア層に接合され得る。

本開示は、同様の参照符号が同様の構造要素を示す添付の図面とともに、以下の詳細な説明により容易に理解されるであろう。

本開示の実施形態による、双極型バッテリの概略縦断面図を描写する。 本開示の実施形態による、第１の金属層及び第２の金属層を備えた双極プレートの縦断面図を描写する。 本開示の実施形態による、第１の金属層及び第２の金属層を備えた別の双極プレートの縦断面図を描写する。 本開示の実施形態による、双極型バッテリの電気化学セルを作製するために形成され得るカソード、アノード、及びセパレータアセンブリを描写する。 本開示の実施形態による、図３Ａのカソード、アノード、及びセパレータアセンブリと組み合わされる第１の金属層及び第２の金属層を描写する。 本開示の実施形態による、双極型バッテリの単一の封止された電気化学セルを描写する。 本開示の実施形態による、セパレータと組み合わされているアノードを有する第１の金属層及びカソードを有する第２の金属層を描写する。 本開示の実施形態による、セパレータと共に組み立てられたときの、図４Ａのアノードを有する第１の金属層及びカソードを有する第２の金属層を描写する。 本開示の実施形態による、封止されて電気化学セルを形成する、図４Ｂのアノードを有する第１の金属層及びカソードを有する第２の金属層、並びにセパレータアセンブリを描写する。 本開示の実施形態による、アノードと接触しているシールを有する電気化学セルを描写する。 本開示の実施形態による、第１の金属層、カソード、セパレータ、アノード、第２の金属層、及びシール材料を示している、分解された状態の図５Ａの電気化学セルを描写する。 本開示の実施形態による、図５Ａに描写した電気化学セルのスタックを備える双極型バッテリの概略縦断面図を描写する。 本開示の実施形態による、別の双極型バッテリの概略縦断面図を描写する。 本開示の実施形態による、電気化学的シール及び可撓性シールを有する別の双極型バッテリの概略縦断面図を描写する。 本開示の実施形態による、双極型バッテリの外側端上の第１及び第２の金属層の位置を示している、双極型バッテリの側面図を描写する。 本開示の実施形態による、複数のバッテリスタックと境を接する冷却プレートの側面図を描写する。 本開示の実施形態による、複数のエンドプレートを示している双極型バッテリの別の実施形態の概略縦断面図を描写する。 本開示の実施形態による、基準電極を含むバッテリセルの縦断面図を描写する。 本開示の実施形態による、第１の金属層及び第２の金属層上に配設された感熱層を描写する。 本開示の実施形態による、セパレータの各表面上に配設された感熱層及び感熱層の各表面上に配設されたバイモーダルセラミックを描写する。 本開示の実施形態による、セパレータの一方の表面上に配設された感熱層及び感熱層の表面上に配設されたバイモーダルセラミック、それと共にセパレータの反対側の表面上に配設された陽極酸化されたアルミニウム層を描写する。 本開示の実施形態による、第１の金属層が、各セルのセパレータを封止する双極型バッテリの概略縦断面図を描写する。 本開示の実施形態による、第１及び第２の金属層をバリア層に封止することによって密封されたバッテリセルを描写する。 本開示の実施形態による、第１及び第２の金属層をセパレータに封止することによって密封されたバッテリセルを描写する。 本開示の実施形態による、第１及び第２の金属層と電極との間の多孔質層を含む双極型バッテリを描写する。

次いで、添付図面に示される代表的な実施形態を詳細に参照する。以下の説明は、これらの実施形態を、１つの好ましい実施形態に限定することを意図するものではない点を理解されたい。それとは反対に、以下の説明は、添付の「特許請求の範囲」によって定義されるような、説明される実施形態の趣旨及び範囲内に含めることが可能である、代替形態、修正形態、及び等価物を対象とすることを意図するものである。

以下の開示は、双極型バッテリに関する。本明細書で説明されるように、双極型バッテリセルは、複数の積層された電気化学セルを備えることができる。積層された電気化学セルは、１つ以上の双極プレートを用いて直列に接続される。双極型バッテリセルは、スタックの第１の端部における第１の導電性プレート及びスタックの第２の端部における第２の導電性プレートを含むことができ、これらは、双極型バッテリセルのための、それぞれ第１及び第２の集電プレートとして作用することができ、これらの間に電流が流れて複数の電気化学セルを充電又は放電することができる。各双極プレートは、電流が隣接する電気化学セルの間を流れることを可能にし、これにより、双極プレートは、一方の電気化学セルの負極集電プレートとして作用し、また隣接する電気化学セルの正極プレートとして作用する。したがって、電流は、双極型バッテリの充電中には、双極プレートを横切る第１の方向に流れることができ、双極型バッテリの放電中には、双極プレートを横切る反対方向に流れることができる。

様々な態様では、本開示は、双極型バッテリにおける双極プレート及び電気化学セルのシールに関する。本開示による実施形態は、双極プレートに対して垂直なｚ方向の膨張（それに沿って個々の電気化学セルが積層されている方向の膨張）に対処する双極型バッテリのための双極プレート及びセルシール設計を提供する。様々な実施形態では、双極型バッテリは、電極スタックの周辺部において２つの層に分離されている、双極プレートを含む。１つ以上のシールが、周辺部（例えば、双極プレートの層の間、又は双極プレートと隣接する双極プレートとの間）に作製されてもよい。

いくつかの実施形態では、双極型バッテリは、第１の電気化学セルと、第２の電気化学セルと、第１の電気化学セルを第２の電気化学セルに接続する双極プレートとを備える。双極プレートは、第１の金属層（例えば、第１の箔）と、第２の金属層（例えば、第２の箔）とを有する。双極プレートは、接続領域と空隙領域とを有し、第１の金属層と第２の金属層との間の分離距離は、接続領域よりも空隙領域において大きい。電気化学セルは、カソードとアノードとを含み、これらはそれらの間に配設されたセパレータによって間隔が空けられている。各電気化学セルはまた、電気化学セルを気密封止するシールを有することによって電気化学的に遮断され得る。このようなモノセルスタック（ＭＣＳ）設計を有する双極型バッテリは、いくつかのセルを直列で積層することを可能にし得る。

他の実施形態では、双極型バッテリは、複数の電気化学セル、複数の双極プレート、及び複数のシールを備える。各電気化学セルは、カソード、セパレータ、及びアノードを含む。双極プレートは、隣接する電気化学セル間に境界部を形成する。各双極プレートは、第１の電気化学セルの側部を形成する第１の金属層と、第２の電気化学セルの側部を形成する第２の金属層とを有する。第１の金属層の周端部と第２の金属層の周端部とは、間隔を空けて配置されて、第１の金属層と第２の金属層との間に空隙領域を作り出す。バッテリの各電気化学セルは、電気化学セルを気密封止することができるシールを含んでもよい。シールは、電気化学セルの第１及び第２のプレートを接続して、電気化学セルのアノード、カソード、及びセパレータを、第１のプレートと第２のプレートとの間に封入する。シールは、例えば、第１の双極プレートの第２の金属層の周端部と、第２の隣接する双極プレートの第１の金属層の周端部との間に配設されてもよい。

他の実施形態では、双極型バッテリは、電気化学的シール及び複数の可撓性シールの両方を備えて構成される。双極型バッテリは、複数の電気化学セル、複数の双極プレート、複数の電気化学的シール、及び複数のエラストマーシールを備えることができる。各電気化学セルは、カソード、セパレータ、及びアノードを含む。各双極プレートは、隣接する電気化学セル間に配設されており、隣接する電気化学セル間に境界を形成する。各双極プレートは、第１の電気化学セルの側部を形成する第１の金属層と、第２の電気化学セルの側部を形成する第２の金属層とを有する。第１の金属層の周端部と第２の金属層の周端部とは、間隔を空けて配置されて、第１の金属層と第２の金属層との間に空隙領域を作り出す。各電気化学的シールは、第１の双極プレートの第２の金属層の周端部と、第２の隣接する双極プレートの第１の金属層の周端部との間に配設されている。各可撓性シールは、第１の金属層の周端部と第２の金属層の周端部との間の空隙領域に配設されている。

双極型バッテリの１つの課題は、隣接する電気化学セル内のアノード及びカソード電極の各対を電気的に遮断することである。これは、電気化学セルのシールが、電解質が電気化学セルから漏出するのを防止するために、気密封止をもたらさなければならないことを意味する。このシールは、電解質に対するバリアを提供することができ、これにより、隣接する電気化学セルは短絡することはない。このシールはまた、電気化学セルの性能に影響を及ぼし得る、水分が電気化学セルに集中することも防止する。

更に、従来の双極型バッテリ設計においては、シールは、双極プレートに対して垂直なｚ方向の電極の膨出及び膨張に対処できねばならない。例えば、電解質の充填及びサイクル又は使用の後に、電極スタックは膨出し、ｚ方向に膨張を生じさせる。この膨張は、歪みを生じさせるが、この歪みはシール及びパッケージで対処し得るものである。双極型設計におけるカソード−アノード対が互いに重なり合って積層されるとき、ｚ方向の体積変化が、それぞれの後続のカソード−アノード対に付加される。数個の対が積み上げられるとき、ｚ方向（例えば、個々の電気化学セルがそれに沿って積層されている方向）で結果として生じた歪みは、双極プレートが、ｚ方向で最大１０％の電気化学セルの膨張を処理するために撓みながら、パッケージでシールを維持し得るため、対処が困難な場合がある。

リチウムイオンケミストリーの場合、シールは、フィードスルー（feedthrough）、又は集電タブが、セルバランシングのために電気化学セルの外側に延びることを可能にする場合もある。

シールの異なる機能が互いに競合する場合がある。したがって、本明細書で記載される実施形態は、シールがもつ、１）電解質及び水分がバッテリに浸透することを防止することによって電気化学的遮断を維持する機能と、それと同時に２）膨出に起因するｚ方向の膨張に対処する機能とを分離する。

様々な実施形態では、双極型バッテリは、シールが配置されている電極スタックの周辺部において２つの層に分離されている、双極プレートを有する電気化学セルを含む。いくつかの実施形態では、双極プレートは、アルミニウム及び銅などであるが、これらに限定されない異なる材料の２つの金属層を備えることができる。他の実施形態では、双極プレートの金属層は、同じ金属とすることができる。電極スタックの周辺部内で、２つの金属層は接続されて（例えば、溶接されるか、又はいくつかの導電性接着剤を用いて接合される）、接続領域を形成することができる。接続領域内では、電流が金属層間を流れることができ、それにより電流が隣接する電気化学セル間を流れることを可能にする。スタック中の封止された電気化学セルの外側で、２つの層は分離されて層の間に空間をもたらし、空隙領域を作り出すことができる。空隙領域内では、使用時に電気化学セルが膨張すると、２つの層は、互いに離れることができる。これにより、空隙領域が、ｚ方向の膨張に対処するために可撓性を提供しながら、各カソード−アノード対は、電気化学的に封止され、隣接する電気化学セルから遮断され得る。いくつかの実施形態では、多シール設計を使用することができる。多シール設計は、電気化学セルを電気化学的に遮断するためのシールと、ｚ方向での膨張（例えば、個々の電気化学セルがそれに沿って積層されている方向での膨張）に更に対処するために、空隙領域内に配設された可撓性シールとを含む。

これら及び他の実施形態について、図１〜１７を参照して以下で説明する。しかしながら、これらの図に関して本明細書で与えられる詳細な説明は、単に説明を目的とするものであり、限定するものとして解釈するべきではないことが、当業者には容易に理解されるであろう。

図１は、本開示の実施形態による、双極型バッテリの概略縦断面図を描写する。図示するように、双極型バッテリ１０は、エンドプレート１０２と１０４との間に、電気化学セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４のスタックを備える。エンドプレート１０２及び１０４は、電気的機能及び機械的機能の両方を果たす、金属集電プレートとすることができる。いくつかの実施形態では、エンドプレート１０２及び１０４は、双極型バッテリの外部ハウジングの一部を形成する支持プレートとすることができる。いくつかの実施形態では、エンドプレート１０２及び１０４は、双極型バッテリのハウジング内に機械的支持をもたらしてもよい。いくつかの実施形態では、支持プレートの一部又は全ては、導電性であってもよい（例えば、エンドプレートに電気的に接続される支持プレート内に端子があってもよい）。いくつかの実施形態では、エンドプレート１０２及び１０４は、バッテリの正極端子及び負極端子として作用することができる。

電気化学セルのスタックは、バッテリ１０に対して選択された電圧と共に、各個々の電気化学セルの個々の電圧に応じて、任意の数の電気化学セルを含むことができる。セルスタックは、所望されるだけの多くの数の又は少ない数の電気化学セルで、直列に配置され得る。例えば、カソード−アノード対を含む多数の電気化学セルが直列で配置され、バッテリユニットの使用目的のために選択された電圧出力を有するバッテリユニットを形成してもよい。

各電気化学セルＣは、カソード１１０及びアノード１２０を含むことができ、カソード１１０及びアノード１２０は、カソードとアノードとの間のセパレータ１３０によって分離されている。セルＣ１のアノード１２０と隣接するセルＣ２のカソードとの間には、双極プレート１５０がある。例示として、いくつかの実施形態では、第１のセルＣ１及び第２のセルＣ２は、Ｃ１とＣ２との間の双極プレート１５０によって接続されている。双極プレート１５０は、Ｃ１及びＣ２の一部を形成する。一方の側で、双極プレート１５０は、Ｃ１のシール１４０に接続し、反対側で、Ｃ２のシール１４０に接続することができる。

いくつかの実施形態では、図１に示すように、双極プレート１５０は、第１の金属層１５２及び第２の金属層１５４を含む。図２Ａに示すように、いくつかの実施形態では、第１の金属層１５２及び第２の金属層１５４は、異なる材料とすることができる。いくつかの実施形態では、第１の金属層１５２は、銅又は任意の他の好適な金属などの、アノード１２０の電位に基づいて選択される材料である。第２の金属層は、アルミニウム又は任意の他の好適な金属などの、カソード１１０の電位に基づいて選択される材料である。言い換えれば、第１及び第２の金属層用の材料は、アノード及びカソードに選択される材料に基づいて選択することができる。

第１及び第２の金属層は、当該技術分野において既知の任意の材料から作製することができる。例えば、銅、アルミニウム（例えば、７０００シリーズのアルミニウム）、又はステンレス鋼が使用されてもよい。１つ以上の金属層が、他の導電性金属よりも高いインピーダンスを有する場合には、第１及び第２の金属層で使用される金属は、同一であっても又は異なるものであってもよい。同様に、金属層は、固体層とすることができるか、又は金属メッシュとすることができる。第１及び第２の金属層に導電性が劣る金属を使用する（例えば、銅の代わりに鋼を使用する）ことによって、熱高温箇所の影響を受ける金属層の面積を少なくし得る。更に、熱伝導率を低減することができ、これによって、セル間の熱暴走の可能性を低減することができる。

アノード及びカソードに選択される材料は、任意の好適なバッテリ材料とすることができる。例示として、限定することを意図するものではないが、アノード材料は、シリコン、グラファイト、炭素、スズ合金、リチウムチタン酸化物（ＬＴＯ）などのリチウム含有材料、又は双極型バッテリセルにおいてアノードを形成することができる他の好適な材料とすることができる。例示として、限定することを意図するものではないが、カソード材料は、リチウム含有材料とすることができる。いくつかの実施形態では、リチウム含有材料は、リチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物、チタン酸リチウムなどのリチウム金属酸化物とすることができ、一方、他の実施形態では、リチウム含有材料は、リン酸鉄リチウム、リチウム金属ポリマー、又は当該技術分野において既知の双極型バッテリセルに好適な他のカソード材料とすることができる。

第１及び第２の金属層は、気密封止の形成を可能にし、かつ双極型バッテリの予想される使用中に故障（すなわち、層の破損）を防止するのに好適な機械的安定性を提供する、任意の好適な厚さを有することができる。更に、金属層の厚さは、双極型バッテリのサイクル中に予想される膨張（例えば、ｚ方向での最大１０％の膨張）に対処するために、分離領域における屈曲及び撓みを可能にするよう十分に薄くすることができる。

いくつかの実施形態では、金属層は、約５μｍの厚さを有する。他の実施形態では、金属層は、少なくとも１０μｍの厚さを有する。他の実施形態では、金属層は、少なくとも２０μｍの厚さを有する。他の実施形態では、金属層は、５０μｍ未満の厚さを有する。他の実施形態では、金属層は、３０μｍ未満の厚さを有する。いくつかの実施形態では、双極プレートの第１の金属層及び第２の金属層は、同じ厚さであってもよく、一方、他の実施形態では、第１の金属層及び第２の金属層は、異なる厚さを有してもよい。

図１及び図２Ａに示すように、双極プレート１５０は、第１の金属層１５２と第２の金属層１５４とが接続されている接続領域１５３、及び集電体１５０の周端部にある空隙領域１５５を有する。接続領域１５３では、第１の金属層と第２の金属層とが導電性となるように接合される。いくつかの実施形態では、第１の金属層と第２の金属層とは、直接接続され得るが、一方、他の実施形態では、第１の金属層と第２の金属層とは、導電性材料を介して間接的に接続され得る。接続領域１５３を形成するために、いくつかの実施形態では、第１の金属層１５２及び第２の金属層１５４は、一緒に積層することができる。他の実施形態では、接続領域１５３は、第１の金属層１５２と第２の金属層１５４とを一緒に溶接することによって作り出すことができる。更に他の実施形態では、接続領域１５３は、第１の金属層１５２と第２の金属層１５４との間で一緒に、導電性の接着剤を用いることによって作り出すことができる。更に他の実施形態では、接続領域１５３は、第１の金属層１５２と第２の金属層１５４との間で発生し得る湿潤性によって作り出すことができる。

空隙領域１５５においては、第１の層１５２の周端部と第２の層１５４の周端部が、間隔を空けて配置され、互いに対して移動可能である。したがって、第１の金属層と第２の金属層の間に分離距離が存在し、これは、電気化学セルが膨出するにつれて増大し得る。第１の金属層と第２の金属層との分離距離は、接続領域１５３よりも空隙領域１５５において大きい。いくつかの実施形態では、空隙領域１５５における間隔が、接続領域１５３における間隔と同じである場合もある。例えば、バッテリ１０は、最初に、第１の層１５２及び第２の層１５４の周端部が接触しているが、互いに移動可能である状態で形成されてもよい。したがって、電気化学セルが膨出すると、第１の層１５２及び第２の層１５４の周端部は、移動することができ、空隙領域における間隔は増大することができる。

いくつかの実施形態では、第１の金属層１５２及び第２の金属層１５４の間隔を空けて配置された周端部は、バッテリのサイクル中に双極型バッテリの個々の電気化学セルの予想される膨張に対処するのに十分な長さである。言い換えれば、周端部１５２ａ及び１５４ａは、図２Ａに示すように、長さＬを有する。いくつかの実施形態では、長さＬは、ｚ方向の最大１０％の膨張に対処することができるほど十分長い。他の実施形態では、長さＬは、ｚ方向の最大２０％の膨張に対処することができるほど十分長い。他の実施形態では、長さＬは、ｚ方向の最大３０％の膨張に対処することができるほど十分長い。長さＬはまた、カソード及びアノードの端部と、シールとの間に空間を提供して、電解質の脱気から生じ得るガスのための間隔を提供するように選択することもできる。他の実施形態では、図２Ｂに例示するように、双極プレートは、同じ金属を含む第１の金属層及び第２の金属層を有することができる。

図１に示すように、各セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４はまた、電気化学セルを互いに電気化学的に遮断するためのシール１４０も含む。したがって、各カソード−アノード対は、隣接する電気化学セルに電気化学的に封止され、かつこれから遮断される。金属層１５２及び１５４は周端部で分離されているために、別個のシール１４０が、双極プレート１５０の両側（すなわち、上部及び底部）に形成され得る。

シール材料は、双極プレートの第１及び第２の金属層と接合することが可能であり、電解質の漏出を防止することができる。電解質は、固体、ゲル、又は液体とすることができる。シールは、セルを気密封止することによって各電気化学セルを電気的に遮断し、これによって、電解質中のイオンが隣接する電気化学セルに逃げることを防止する。シール材料は、所定の期間を通して又はバッテリ使用中に気密封止が維持され得るように、金属層との良好な接合を有する任意の材料（例えば、ポリマー又はエポキシド）とすることができる。例えば、いくつかの実施形態では、シールの気密性は、少なくとも１０年間維持され得る。他の実施形態では、シールの気密性は、少なくとも１５年間維持され得る。

セパレータは、電解質を双極型バッテリに組み込むために、液体電解質又はゲル電解質などの電解質で浸漬され得る。あるいは、ゲル電解質でセパレータを被覆することができる。更に他の代替案では、組み合わされる前に、ゲル電解質で第１の金属層及び／又は第２の金属層を被覆することができる。更に他の代替案では、電解質は、カソードを構成するカソード活物質の粒子とブレンドされ得る。様々な実施形態では、電解質の双極型バッテリの部品への組み込みは、双極型バッテリ内の脱気を低減することができる。可撓性シールを含む変更例では、双極型バッテリは、脱気から生じたガスに対処することができる。更に、この双極型バッテリの製造には、別個の電解質充填ステップを必要としない。

シール材料は、ポリマー、エポキシ、又は第１及び第２の金属層と接合し、気密封止を作り出すことができる他の好適な材料とすることができる。いくつかの実施形態では、ポリマーは、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、又は双極プレートの第１及び第２の金属層と接合し、気密封止を形成することができ、また水分インピーダンスに対する抵抗性を提供することもできる任意の他の好適なポリマーとすることができる。

図１に例示するように、シール１４０は、双極プレート１５０の両側（すなわち、上部及び底部）に形成することができる。説明として、セルＣ２については、シール１４０が、カソード１１０と接する第２の金属層１５４と、アノード１２０に接する第１の金属層１５２との間に配設されている。

個々の電気化学セルは、任意の好適な方法で形成されてもよい。いくつかの実施形態では、カソード１１０、アノード１２０、及びセパレータ１３０は、組み立て済みのものとすることができる。次いで、第１の金属層１５２をアノードに接続することができ、同時に、第２の金属層１５４をカソードに接続して、セルを作成する。次いで、シール材料を、第１の金属層１５２と第２の金属層１５４との間に配設して、シール１４０を形成する。

代替実施形態では、金属層は、シール材料で予め被覆され得る。説明として、個々のセルの組立が図３Ａ〜３Ｃに描写されている。図３Ａ〜３Ｃに示すように、金属層上の予め被覆されたシール材料は、金属層の周端部に適用することができる。図３Ａに例示するように、前もって形成されたカソード３１０及び前もって形成されたアノード３２０を、セパレータ３３０と共に積層することができる。図３Ｂに示すように、第１及び第２の金属層３５２及び３５４は、シール材料１４０ａで事前被覆され得る。事前被覆された金属層３５２及び３５４は、カソード−セパレータ−アノード組立品と接合され、これにより、第１の金属層３５２上のシール材料１４０ａが、第２の金属層３５４上のシール材料１４０ａと一直線になり、オープンセルアセンブリを作り出すことができる。次いで、図３Ｃにおいて、第１及び第２の層３５２及び３５４上のシール材料１４０ａを積層して、シール３４０で封止された単一セル３００を作り出すことができる。いくつかの実施形態では、事前被覆されたシール材料は、金属層の長さを超えて延びることができ、これにより、セルが組み立てられたとき、空間がシール３４０とカソード及びアノードの端部との間に存在しつつ、この材料がセパレータ１３０の周端部と接する状態となる。

他の実施形態では、図４Ａ〜４Ｃに示すように、金属層は、カソード（又はアノード）及びシール材料と共に予め積層することができる。同じく説明として、個々のセルの組立が、図４Ａ及び図４Ｂに描写されている。図４Ａに示すように、アノード４２０と共にシール材料１４０ａを第１の金属層４５２に積層することができる。図４Ａに示すように、カソード４１０と共にシール材料１４０ａは、第２の金属層４５４に積層することができる。図４Ｂに示すように、アノード４２０（又はカソード４１０）及びシール材料１４０ａと共に前もって積層された金属層４５２及び４５４は、セパレータ４３０と接合され、オープンセルアセンブリ４００ａを形成することができる。また、第１の金属層４５２上のシール材料１４０ａは、第２の金属層４５４上のシール材料１４０ａと一直線になり、オープンセルアセンブリを作り出すことができる。次いで、図４Ｃにおいて、第１及び第２の層４５２及び４５４上のシール材料１４０ａを積層して、封止されたセル４００を作り出すことができる。

いくつかの実施形態では、シール材料は、アノード又はカソードと接している縁部を有するように、一方又は両方の金属層の長さに沿って延びることができる。例示として、図５Ａは、セル５００を個々のセルと共に描写する。セル５００において、シール５４０は、シールの縁部５４０ａがアノード５２０の縁部５２０ａと接するように、第１の金属層５５４の長さに沿って更に延びている。この構成は、シールの気密性を更に向上させることができる。

図５Ｂは、分解された状態のセル５００を描写する。例示するように、第１の金属層５５４上のシール材料は、シール５４０がアノードと接するように、第２の金属層５５２上のシール材料よりも長い長さに延びている。代替実施形態では、これに変更を加えることができる。第２の金属層上のシール材料は、シールがカノードと接するように、第１の金属層上のシール材料よりも長い長さに延びることができる。更に他の実施形態では、第１及び第２の金属層上のシール材料は、アノード及びカソードの両方と接するように延びることができる。図５Ｃは、一連の個々の電気化学セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、及びＣ６を備える積層セルアセンブリ５０を描写する。

いくつかの実施形態では、封止された電気化学セルの周端部は、セルを形作るために更にテープで固定することができる。図５Ｃに例示するように、個々の電気化学セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、及びＣ６は、それぞれ、金属層及びシールの外周部の周りに配設されたテープ５７０ａ、５７０ｂ、５７０ｃ、５７０ｄ、５７０ｅ、及び５７０ｆを含むことができる。テープの代わりに、セラミック又はポリマー材料を使用することができる。これは、短絡を防止するため、より良好な電気化学的又は化学的安定性を提供するため、及び機械的強度を提供するためなどの様々な理由のために行われ得る。

図５Ｃを更に参照すると、封止電気化学セルはまた、バランス回路５８０ａ、５８０ｂ、５８０ｃ、５８０ｄ、５８０ｅ、及び５８０ｆも含むことができる。各セルの終端部において露出した第１の金属層及び第２の金属層は、端子として働くことができる。バランス回路５８０ａ、５８０ｂ、５８０ｃ、５８０ｄ、５８０ｅ、及び５８０ｆは、それぞれ、セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、及びＣ６の第２の金属層５８５ａ、５８５ｂ、５８５ｃ、５８５ｄ、５８５ｅ、及び５８５ｆに動作可能に接続されている。バランス回路５８０ａ、５８０ｂ、５８０ｃ、５８０ｄ、５８０ｅ、及び５８０ｆは、セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、及びＣ６のそれぞれの電圧を測定及び調整するように構成される。セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、及びＣ６は、これにより、同じ電圧で、又は所定の電圧範囲内で動作することができる。

各セルをバランシングすることによって、各セルは、エネルギー生産の所定の量又はある範囲内でリチウム伝送量を制御し、これにより、１つ以上のセルを損傷させる可能性が低減する。

また、図６に例示したいくつかの実施形態では、シールがアノード及び／又はカソードと接するように延びるのではなく、セパレータがアノード及びカソードよりも長さが長く、セパレータの周端部がシールと接するようになっている。

いくつかの実施形態では、シール領域を超えて延びる双極プレート（時には、双極箔と称される）を、セルバランシング、温度管理、又は可能性のある他の機能のために使用することができる。小さな導電性領域又は経路で十分であり、セルの全周辺部は必要でない。これは、典型的には、「フィードスルー」又はタブと表現される。場合によっては、セルは、１つのカソード−アノード対当たり単一の導電性フィードスルーを有してもよい。これらのフィードスルーは、それらの間の短絡又はアーク発生を防止するために、十分な距離で物理的に分離され得る。セルスタックを上から見るとき、これはフィードスルータブをセルの周辺部に沿って一定の間隔で配置することによって達成することができる。例えば、上からセルを見る場合、フィードスルータブは時計の時間標示に対応してもよく、その場合、１つのタブは１２：００の位置に存在し、別のタブは２：００の位置に存在するなどである。パック内の無駄な体積を最小化するために、フィードスルータブは、セルスタックの一端側に位置付けられてもよい。

更に他の実施形態では、双極型バッテリは、電気化学セル間に電気化学的遮断を提供する１つのシールと、ｚ方向（例えば、個々の電気化学セルがそれに沿って積層される方向）での膨張に対処するために可撓性を提供するためのエラストマーである第２のシールとを備えた多シール構成を含むことができる。多シール構成を有する双極型バッテリは、複数の電気化学セルであって、各セルが、カソード、セパレータ、及びアノードを有する、電気化学セルを含むことができる。様々な実施形態では、プレートは、隣接する電気化学セル間に配設され得る。双極プレートは、第１の金属層と、第２の金属層とを有する。バッテリの積層された電気化学セルを電気化学的に遮断するために、複数の気密シールを使用することができ、ここでは、各気密シールが、第１の双極プレートの第２の金属層の周端部と、第２の隣接する双極プレートの第１の金属層の周端部との間に配設されている。バッテリはまた、ｚ方向の膨張に対処するために、バッテリに更なる可撓性を付加するために、複数の可撓性シールも含むことができる。各可撓性シールは、第１の金属層の周端部と第２の金属層の周端部との間の空隙に配設されている。

多シール構成を備えた例示の双極型バッテリ７００が、図７に描写されている。図示するように、双極型バッテリ７００は、エンドプレート７０２と７０４との間に、電気化学セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４の積層体を備える。他の実施形態で例示されたバッテリと同様に、エンドプレート７０２及び７０４は、電気的及び機械的機能の両方を果たす、金属集電プレートとすることができる。いくつかの実施形態では、エンドプレート７０２及び７０４は、双極型バッテリの外部ハウジングの一部を形成する支持プレートとすることができる。いくつかの実施形態では、エンドプレート７０２及び７０４は、双極型バッテリのハウジング内に機械的支持をもたらしてもよい。いくつかの実施形態では、支持プレートの一部又は全ては、導電性であってもよい（例えば、エンドプレートに電気的に接続される支持プレート内に端子があってもよい）。いくつかの実施形態では、エンドプレート７０２及び７０４は、バッテリの正極及び負極端子として作用することができる。

また更に、双極型バッテリ７００の電気化学セルのスタックは、バッテリ７００について選択された電圧出力に応じて、任意の数の電気化学セルを含むことができる。セルスタックは、所望されるだけの多くの数の又は少ない数の電気化学セルで、直列に配置され得る。

各セルＣは、カソード７１０及びアノード７２０を含むことができ、カソード７１０及びアノード７２０は、カソードとアノードとの間のセパレータ７３０によって分離されている。Ｃ１のアノード７２０と隣接するセルＣ２のカソードとの間には、双極プレート７５０がある。例示として、いくつかの実施形態では、第１のセルＣ１及び第２のセルＣ２は、Ｃ１とＣ２との間の双極プレート７５０によって接続されている。

双極プレート７５０は、第１の金属層７５２と、第２の金属層７５４とを有する。第１の金属層７５２及び第２の金属層７５４は、先の実施形態において記載されたいずれかの金属層とすることができる。

また更に、図７に示すように、双極プレート７５０は、第１の金属層７５２と第２の金属層１５４とが接続されている接続領域、及び双極プレート７５０の周端部にある空隙領域を有する。接続領域及び空隙領域は、図２Ａに記載された通りである。接続領域７５３では、第１の金属層と第２の金属層とが導電性となるよう接合される。いくつかの実施形態では、第１の金属層と第２の金属層とは、直接接続され得るが、一方、他の実施形態では、第１の金属層と第２の金属層とは、導電性材料を介して間接的に接続され得る。接続領域７５３を形成するために、先の実施形態で記載したように、第１の金属層７５２と第２の金属層７５４とが、一緒に積層される、溶接される、導電性接着剤で固定される、湿潤されるか、又は積層により物理的に接合され得る。

上述の実施形態と同様に、双極プレート７５０の第１の金属層７５２と第２の金属層７５４との間に空隙領域７５５が存在する。空隙領域７５５においては、第１の金属層７５２の周端部と第２の層７５４の周端部とが、間隔を空けて配置され、互いに対して移動可能である。したがって、第１の金属層と第２の金属層の間に分離距離が存在し、これは、電気化学セルが膨出するにつれて増大し得る。したがって、長さＬにわたって、第１の金属層と第２の金属層との間の分離距離が存在し、これが、可撓性シール７６０がその中に位置することができる空隙又は空間を作り出すことができる。可撓性シール７６０は、サイクル中に電気化学セルが膨出するにつれて分離距離が増大し得るように、第１の金属層７５２及び第２の層７５４の周端部を移動可能に接続することができる。また更に、長さＬは、バッテリのサイクル中の膨出に起因するｚ方向でのセルの膨張に対処するように選択することができる。第１の金属層と第２の金属層間の分離距離は、接続領域７５３よりも空隙領域７５５において大きい。

図７に示すように、各セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４はまた、電気化学セルを互いに電気化学的に遮断するための電気化学的シール７４０も含む。したがって、各カソード−アノード対は、隣接する電気化学セルに電気化学的に封止され、かつこれから遮断される。金属層７５２及び７５４は、周端部で分離されているために、シール７４０が、双極プレート７５０の両側（すなわち、上部及び底部）に形成され得る。

電気化学シール７４０は、上記実施形態で記載されたシールと同様である。様々な実施形態では、電気化学的シール材料は、双極プレートの第１及び第２の金属層と接合し、電解質漏出を防止することができる。電解質は、固体、ゲル、又は液体とすることができる。セルの電解質中のイオンは、漏れ出して隣接するセルに移動する可能性がある。これらのシールは、セルを気密封止することによって、各セルを電気化学的に遮断することができる。シール材料は、機密シールがバッテリの寿命の間中ずっと維持され得るように、金属層と良好に接合する任意の材料（例えば、ポリマー又はエポキシド）とすることができる。例えば、いくつかの実施形態では、シールの気密性は、少なくとも１０年間維持され得る。他の実施形態では、シールの気密性は、少なくとも１５年間維持され得る。

双極型バッテリ７００もまた可撓性シール７６０を含む。図７に示すように、可撓性シール７６０は、双極プレート７５０の第１の金属層７５２の周端部と第２の金属層７５４の周端部の間の空隙領域７５５内に位置付けられている。可撓性シール７６０は、エラストマー材料を含み得る。可撓性シールのエラストマーは、セルのｚ方向での膨張に対処することができる弾力性を有しつつ、機械的強度を提供する。可撓性シールは、任意の好適なエラストマー材料を含み得る。いくつかの実施形態では、エラストマーは、シリコン系材料、ポリエチレン、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）などのゴム、又は電解質に適合性があり（すなわち、選択された電圧で安定な）、１５０℃以下の温度で安定であり、また良好な誘電特性（すなわち、１０¹²オーム／ｃｍ未満の抵抗）を有する他のエラストマー材料とすることができる。

また更に、バッテリ７００のセルスタックは、使用目的のためにバッテリの選択されたエネルギー容量に応じて、所望されるだけの多くの数の又は少ない数の電気化学セルで、直列に配置され得る。

様々な態様では、第１及び第２の金属層は、ｚ方向に沿って変位され得る。図８は、双極型バッテリの外側端上の第１及び第２の金属層の位置を示した、双極型バッテリ８００の側面図を描写する。カソードと関連付けられた第１の金属層８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃ、８０２ｄ、及び８０２ｅは、可撓性シール８０６ａ、８０６ｂ、８０６ｃ、８０６ｄ、及び８０６ｅによって、アノードと関連付けられた第２の金属層８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ、８０４ｄ、及び８０４ｅから分離されている。カソード金属層８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃ、８０２ｄ、及び８０２ｅと、アノード金属層８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ、８０４ｄ、及び８０４ｅとは、双極型バッテリのための電気接点として働く。カソード及びアノードは、側面図に描写するように、一方が他方に対して変位されたカソード−アノード対を形成する。カソード及びアノード対を変位させることによって、双極型バッテリにおけるカソード及びアノードは、バッテリ外にある電子部品から、よりアクセスしやすくなる。

様々な態様では、双極型バッテリは、双極型バッテリを冷却するプレートを含むことができる。図９は、プレート９０２、９０４、及び９０６を有する双極型バッテリ９００を描写する。プレート９０２及び９０４は、バッテリスタック９１４に接している。プレート９０４及び９０６は、バッテリスタック９１６に接している。プレート９０２、９０４、及び９０６の各々は、複数の流体伝導孔９０８、９１０、及び９１２をそれぞれ有する。流体伝導孔９０８、９１０、及び９１２は、プレート９０２、９０４、及び９０６を熱冷却することにより除熱し、双極セルを冷却する冷却流体を、それが液体又は気体であろうと伝導させるために使用することができる。

様々な態様では、双極セルのエンドプレートは、導電性及び熱伝導性の両方であり得る。好適な材料には、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄合金などが挙げられるが、これらに限定されない。

双極セルから電気を送るリードは、各エンドプレート上の任意の位置に配設され得る。再び図９を参照すると、正極リード９３０及び陰極リード９４０は、電極スタックのｚ方向に対して異なる場所に位置付けられている。

双極セルのエンドプレートの空隙領域（すなわち、端部領域）は、これらがｘ軸又はｙ軸において横方向の電気的な接続を作り出さないように、電気的に絶縁され得る。図９を再度参照すると、プレート９０２、９０４、及び９０６の末端部は、電気絶縁材料で電気的に絶縁され得る。プレート９０２の末端部は、電気絶縁材料９２０ａ及び９２０ｂで絶縁されている。プレート９０４の末端部は、電気絶縁材料９２２ａ及び９２２ｂで絶縁されている。プレート９０６の末端部は、電気絶縁材料９２４ａ及び９２４ｂで絶縁されている。この材料は、絶縁テープ、接着剤、ポリマー、及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない任意の電気絶縁材料とすることができる。

図１０は、複数のエンドプレートを示している双極型バッテリの別の実施形態の概略縦断面図を描写する。双極型バッテリ１０００は、エンドプレート１００２と１００４との間の電気化学セルＣ１、Ｃ２、及びＣ３のスタック、並びにエンドプレート１００４と１００６との間の電気化学セルＣ４、Ｃ５、及びＣ６のスタックを含む。他の実施形態で例示されたバッテリと同様に、エンドプレート１００２、１００４、及び１００６は、電気的及び機械的機能の両方を果たす金属集電プレートとすることができる。エンドプレートは、例えば、隣接するセルに積層され得る。

他の実施形態で例示されたバッテリと同様な方法で、エンドプレート１００２、１００４、及び１００６は、双極型バッテリの外部ハウジングの一部を形成する支持プレートとすることができる。いくつかの実施形態では、エンドプレート１００２、１００４、及び１００６は、双極型バッテリのハウジング内に機械的支持をもたらしてもよい。いくつかの実施形態では、支持プレートの一部又は全ては、導電性であってもよい（例えば、エンドプレートに電気的に接続される支持プレート内に端子があってもよい）。いくつかの実施形態では、エンドプレート１００２、１００４、及び１００６は、バッテリの正極及び負極端子として作用することができる。同様に、エンドプレート１００２、１００４、及び１００６は、冷却剤がそれを通って流れる一連の孔を有する。

電気化学セルＣ１、Ｃ２、及びＣ３は、双極エンドプレート１００２と１００４との間でスタックを形成する。同様に、電気化学セルＣ４、Ｃ５、及びＣ６は、双極エンドプレート１００４と１００６との間でスタックを形成する。双極エンドプレート１００２及び１００４のそれぞれの間で３つのセルスタックが描写され、またエンドプレート１００４及び１００６のそれぞれの間で３つのセルスタックが描写されているが、セルスタックは、所望されるだけの多くの数の又は少ない数の電気化学セルを直列で含むことができる。本明細書の他の態様で記載されたように、エンドプレートは、導電性及び熱伝導性の両方である任意の材料から構築することができる。

例示のセルＣ２によって示すように、各セルＣは、セパレータ１０３０によって分離されたカソード１０１０とアノード１０２０とを含むことができる。Ｃ１のアノード１０２０と隣接するセルＣ２のカソードとの間には、双極プレート１０５０がある。双極プレート１０５０は、第１の金属層１０５２と、第２の金属層１０５４とを有する。第１の金属層１０５２及び第２の金属層１０５４は、本明細書の様々な実施形態において記載されたいずれかの金属とすることができる。

例示として、いくつかの実施形態では、第１のセルＣ１及び第２のセルＣ２は、Ｃ１とＣ２との間の双極プレート１０５０によって接続されている。双極プレートの代わりに、本明細書で言及された他の構造体を使用できることに留意されたい。

様々な態様では、各エンドプレート１００２、１００４、及び１００６は、熱伝導性である。更に、各エンドプレート１００２、１００４、及び１００６は、液体冷却剤又はガス状冷却剤などの流体が、それを通って流れることができる孔１０１２、１０１４、及び１０１６を含む。全てのエンドプレートがこのような孔を有する必要がないことが認識されよう。様々な実施形態では、１つ以上のエンドプレートは、流体を輸送するために孔を有することができる。他の実施形態では、プレートはこのような孔を有さない。

本明細書の他の実施形態と同様に、双極セルから電気を送るリードは、各エンドプレート上の任意の位置に配設され得る。再び図１０を参照すると、正極リード１０３０及び陰極リード１０３２は、電極スタックのｚ方向に対して異なる場所で位置付けられている。正極リード１０３０及び負極リード１０３２は、エンドプレートに沿った任意の場所に位置付けられ得る。セルＣ２について例示される電気化学的シール１０４０ａ及び１０４０ｂは、様々な実施形態で記載されたシールと同様なものとすることができる。双極プレート１０５０は、第１の金属層１０５２と、第２の金属層１０５４とを有する。第１の金属層１０５２及び第２の金属層１０５４は、本明細書の様々な実施形態において記載されたいずれかの金属とすることができる。この場合も、バッテリ１０００のセルスタックは、使用目的のためにバッテリの選択されたエネルギー容量に応じて、所望されるだけの多くの数の又は少ない数の電気化学セルとして、直列に配置され得る。個々のセルの電圧は、監視又は制御され得る。セルは、セルをバランシングするように構成され得る基準電極も含むことができる。図１１は、基準電極１１０８を含むバッテリセル１１００の縦断面図を描写する。終端部は、シール１１０６により分離された第１の金属層１１０２と、第２の金属層１１０４とを含む。基準電極１１０８は、カソード１１１２とセパレータ１１１４との間に配設されており、バッテリセル１１００の終端部から突出している。様々な実施形態では、基準電極１１０８は、セルの電圧を平衡化するために、バランシング回路１１１０と併せて用いられる。全てのセルが基準電極を有する必要はなく、１つ以上のセルが基準電極を有することができることが理解されよう。

本明細書に記載される双極セルは、ｚ方向に垂直な横方向に第１の金属層及び第２の金属層に沿って、横方向の放熱を可能にする。したがって、放熱は、リチウムイオン及び電子の輸送の方向に対して垂直である。電極全体にわたる加熱がより均一になると、熱を周辺構造体に伝達する向上した能力が存在する。双極セルは、イオン流の方向から離れる方向の伝導率がより高いために信頼性が増大している。

様々な態様では、バッテリセルは感熱層を含むことができ、感熱層は活性化されたとき、ｚ方向の熱伝達を阻害、低減、又は抑制することができる。図１２は、第１の金属層１２１０及び第２の金属層１２２０を描写する。感熱層１２３０は、第２の金属層１２２０とは反対側にある第１の金属層１２１０上に配設されている。感熱層１２４０は、第１の金属層１２１０と第２の金属層１２２０との間に配設されている。感熱層１２５０は、第１の金属層１２１０とは反対側にある第２の金属層１２２０上に配設されている。感熱層１２３０、１２４０、及び１２５０のうちの１つだけが試料上に配設される必要があることを理解されよう。

閾値温度未満では、感熱層１２３０、１２４０、及び１２５０は、リチウムイオンに対して多孔質である。閾値温度で活性化されると、感熱層は、リチウムイオンに対して多孔質ではなくなり、これによって、第１の金属層１２１０と第２の金属層１２２０との間のイオン導電性を阻害、低減、及び／又は抑制する。

感熱層１２３０、１２４０、及び１２５０は、バッテリ動作時にそれらを通るイオン輸送を可能にする１つ以上の多孔質材料から形成され得る。感熱層１２３０、１２４０、及び１２５０は、積層法、蒸着法などを含む当該技術分野において既知の任意の方法によって、表面上に配設され得る。

バッテリセル内の化学反応は、熱を発生し得る。更に、電気化学セルの充電及び放電中のイオン輸送の速度は、バッテリ内の熱発生の速度に影響を及ぼし得る。感熱層１２３０、１２４０、及び１２５０は、これらが、臨界動作温度などの閾値温度に達するか、又はこれを超えるとき、多孔質でなくなる。活性化されると、感熱層１２３０、１２４０、及び１２５０の材料はイオン輸送に対して高い抵抗を示すことができ、それにより、バッテリの温度が閾値温度を超えて上昇するときにバッテリの動作を阻害、低減、及び／又は抑制する。

様々な実施形態では、感熱層は、温度と共に抵抗が増加する正熱係数（ＰＴＣ）材料である。感熱層は、１００℃〜１２０℃などの温度で活性化する。ＰＴＣ材料では、抵抗は温度の関数として増加する。それにより隣接セルへの熱流が阻害され、局所温度が熱暴走を誘起しないようになる。ＰＴＣ層の抵抗は、それによってバッテリ内の通電を停止させる。

表１は、感熱材料のいくつかの例を描写している。複数の感熱層が使用される実施形態では、感熱層は、どこの場所でも同一であってもよく、又は異なっていてもよいことを認識されよう。

いかなる作用機序又は作用モードに固定されることを望むものではないが、感熱層は、特定の温度で溶融する任意の材料から作製することができる。感熱層が溶融すると、感熱層内の細孔は、もはや存在しなくなる。したがって、リチウムイオン輸送は、所与の材料についての温度の「遮断範囲」内の温度で中止する。

感熱層１２３０、１２４０、及び１２５０は、ある特定の温度においてイオン及び電子の輸送を可能にして、その後溶融する任意の材料から作製され得る。溶融後、これらの材料は、「遮断」範囲内ではリチウムイオン輸送をもはや可能にしない。

双極型バッテリ内のバッテリセルは、バッテリセルの他の部分に配設されたイオン通路遮断部品を含むことができる。図１３を参照すると、感熱層１３０４は、セパレータ１３００上に配設されている。セラミック層１３０２は、感熱層１３０４上に配設されている。同様に、感熱層１３０８は、感熱層１３０４と反対側のセパレータ１３００上に配設されている。セラミック層１３０６は、感熱層１３０８上に配設されている。

様々な実施形態において、セラミック層１３０２は、感熱層１３０４なしにセパレータ上に配設することができ、感熱層１３０４は、セラミック層１３０２なしにセパレータ１３００上に配設することができることを認識されよう。更に、セラミック層１３０２は、セパレータ１３００上に配設することができ、感熱層１３０４は、セラミック層１３０２上に配設することができる。同様に、様々な実施形態において、セラミック層１３０６は、感熱層１３０８なしにセパレータ上に配設することができ、感熱層１３０８は、セラミック層１３０６なしにセパレータ１３００上に配設することができる。加えて、セラミック層１３０６は、セパレータ１３００上に配設することができ、感熱層１３０４は、セラミック層１３０２上に配設することができる。

感熱層１３０４は、図１２に記載された感熱層１２３０、１２４０、及び１２５０と同じ組成並びに特性を有することができる。様々な実施形態では、感熱層１３０４は、温度と共に抵抗が増加する正熱係数（ＰＴＣ）材料とすることができる。様々な実施形態では、感熱層１３０４は、表１に記載された化合物の組成を有することができる。

図１３に再び戻ると、セラミック層１３０４は、少なくとも２種の異なる粒径を有するセラミックから形成される。これらの粒径は、セパレータのより大きな被覆を可能にし、より大きな粒径のセラミック粒子が剛性を提供し、より小さい粒径のセラミック粒子がそれらの間に嵌合する。セラミック層は、当該技術分野において既知の任意のセラミックから形成することができる。動作中に、バッテリから発生する熱は、バッテリセルの温度を上昇させ、セパレータ１３００を溶融する場合がある。そのような場合、カソードとアノード（図示せず）が物理的に接続され得る。

特定の変更例では、セラミック層１３０２は、同じ粒径又は異なる粒径を有する粒子から作製することができることが認識されよう。図１３に描写するように、セラミックは、２種のセラミックの異なる粒径を含むバイモーダルセラミックである。セパレータの表面積は、より凝縮される。

一態様では、セラミック層１３０２は、セパレータ１３００の防縮性を改善することができ、セパレータをより剛性にし、及び／又はＺ方向により安定にする。様々な態様では、セパレータ１３００及びセラミック層１３０２の機械的強度の増加は、ｚ方向に沿ってセパレータ１３００の側部で機械的強度を維持する助けとなり得る。様々な態様では、セパレータが溶融するか、ないしは別の理由でカソードとアノードとの間の接触を可能にする場合に、機械的剛性が、より高い温度において増大及び／又は維持され得る。機械的剛性は、電気的短絡、並びに熱暴走の可能性を低減することに役立つ。

様々な実施形態では、セラミック層１３０２は、単独で、又は感熱層１３０４と組み合わされて、セパレータに含まれ得ることを認識されよう。セパレータ上でのセラミック層及び感熱層１３０４の組み合わせは、熱暴走に対する更なる保護を提供する。局部加熱が発生した場合には、セラミック１３０２は、セパレータ１３００の構造的完全性を維持するために役立つ。加えて、感熱層１３０４は、活性化されたとき、熱暴走を阻害又は抑制することができる。

別の選択肢として、陽極酸化処理された酸化アルミニウムを、セパレータの表面上に配置することができる。図１４を参照すると、陽極酸化処理された酸化アルミニウム層１４０２が、セパレータ１４００上に配置されている。感熱層１４０４は、セパレータ１４００の反対側に配設されている。セラミック層１４０６は、感熱層１４０４上に配設されている。

セラミック層１４０２及び感熱層１４０４は、図１３に表現した変更例及び組成を有することができる。再び図１４に目を向けると、陽極酸化された酸化アルミニウム層１４０２は、温度が上昇したときにイオン流を遮断する別の手法を提供することができる。加熱時に、陽極酸化された酸化アルミニウム層１４０２は、セパレータからのイオン透過を阻害、低減、又は抑制することができる。更に、陽極酸化された酸化アルミニウム層１４０２は、構造的完全性を維持して、合金収縮を低減することによって、セラミック層１４０６と同様な利点を提供することができる。加えて、陽極酸化された酸化アルミニウム層１４０２は、セパレータ１４００からのデンドライトの形成を抑制することができる。特定の変更例では、陽極酸化された酸化アルミニウム層は、セパレータの片側又は両側に配設することができる。

図１５は、双極型バッテリの概略縦断面図を描写する。図示するように、双極型バッテリ１５００は、エンドプレート１５０２と１５０４との間に、電気化学セルＣ１、Ｃ２、及びＣ３のスタックを備える。エンドプレートについては、本明細書の別の箇所で記載されている。本明細書に記載されるように、電気化学セルのスタックは、バッテリ１５００について選択された電圧出力に応じて、任意の数の電気化学セルを含むことができる。セルスタックは、多くの数の又は少ない数の電気化学セルとして、直列に配置され得る。

電気化学セルＣ１は、カソード１５０２ａとアノード１５０４ａとの間に配設されたセパレータ１５０６ａによって隔てられたカソード１５０２ａ及びアノード１５０４ａを含むことができる。電気化学セルＣ２は、セパレータ１５０６ｂによって隔てられたカソード１５０２ｂ及びアノード１５０４ｂを含むことができる。同様に、電気化学セルＣ３は、セパレータ１５０６ｃによって隔てられたカソード１５０２ｃ及びアノード１５０４ｃを含むことができる。

図１５で描写された変更例では、第１の金属層１５０８ａは、第１のカソード層に電気的に接続され、第２の金属層１５０８ａは、アノード１５０４ａに電気的に接続されている。第１の金属層１５０８ａの終端部と第２の金属層１５１０ａの終端部とは、セパレータ１５０６ａに封止されている。同様に第１の金属層１５０８ｂの終端部と第２の金属層１５１０ｂの終端部とは、セパレータ１５０６ｂに封止されている。第１の金属層１５０８ｃの終端部と第２の金属層１５１０ｃの終端部とは、セパレータ１５０６ｃに封止されている。したがって、第１及び第２の金属層はセパレータに封止され、これによって、双極型バッテリ内の部品を減らすことができる。

双極セルは、バリア層と組み合わされたシールを用いて封止され得る。第１の変更例において、図１６Ａは、バッテリセル１６００の縦断面図を描写する。カソード１６０６及びアノード１６０８は、セパレータ１６１０によって隔てられている。金属層１６０２はカソード１６０６に当接し、金属層１６０４はアノード１６０８に当接している。金属層１６０２及び１６０４は、それぞれ別個の双極プレートの一部である。セルの終端部において、金属層１６０２と金属層１６０４とが、それぞれシール１６１４ａ及び１６１４ｂを介してバリア層１６１２ａ及び１６１２ｂに結合している。第１のシール１６１４ａは、金属層１６０４をバリア層１６１２ａに結合させる。同様に、第２のシール１６１４ｂは、金属層１６０２をバリア層１６１２ｂに結合させる。

第２の変更例において、図１６Ｂは、バッテリセル１６００の縦断面図を描写する。ここでも、カソード１６０６及びアノード１６０８は、セパレータ１６１０によって隔てられている。金属層１６０２は、セパレータの反対側のカソード１６０６に当接し、金属層１６０４は、セパレータ１６１０の反対側のアノード１６０８に当接している。セルの終端部において、第１のシール１６１４ａは、第２の金属層１６０４をバリア層１６１２ａに結合させる。同様に、第２のシール１６１４ｂは、第１の金属層１６０２をバリア層１６１２ｂに結合させる。

バリア層１６１２ａ及びバリア層１６１２ｂは、バッテリセル１６００の能動部品と周辺環境との間にバリアを形成するように構成された任意の層とすることができることを認識されよう。バリア層は、バッテリセルと環境との間の水分バリアとして働くことができる様々な態様では、バリア層は、テープとすることができる。バリア層はまた、セラミックとすることもできる。

第１のシール１６１４ａ及び第２のシール１６１４ｂは、電気的バリア及び水分バリアの両方を提供することができる任意の封止コンパウンドとすることができる。様々な態様では、このシールは、任意の種類若しくは配合のポリマー、エポキシ、ポリプロピレン、膠、又は他の類似のコンパウンドが挙げられるが、これらに限定されない任意の接着剤とすることができる。様々な実施形態では、シールは、メチル化層又はセラミックコーティングとすることができる。第１及び第２のシールは、導電性部品間に電気絶縁性を提供して、電気的短絡の可能性を抑制、又は低減することができる。シールはまた、機械的剛性も提供することができ、バッテリセルと環境との間に更なる水分バリアを提供することができる。様々な態様では、第１及び第２のシールは熱活性化されて、バリア材料を第１及び第２のバリア層に熱封止することができる。

他の態様では、双極型バッテリは、金属層とカソードとの間に、及び／又は金属層とアノードとの間に１つ以上の多孔質層を含むことができ、これは、電解質を添加するための通路として働く。図１７は、エンドプレート１７０２とエンドプレート１７０４との間に電気化学セルＣ１及びＣ２のスタックを備える双極型バッテリ１７００を描写する。エンドプレート１７０２及び１７０４は、電気的機能及び機械的機能の両方を果たす、金属集電プレートとすることができる。セルＣ１は、セパレータ１７３０ａによって隔てられたカソード１７１０ａとアノード１７２０ａとを含む。同様に、セルＣ２は、セパレータ１７３０ｂによって隔てられたカソード１７１０ｂとアノード１７２０ｂとを含む。双極プレート１７５０は、Ｃ１のアノード１７２０ａと隣接するセルＣ２のカソード１７１０ｂとの間に配設されている。双極プレート１７５０は、第２の金属層１７５４ｂに電気的に接続された第１の金属層１７５２ａを含む。

多孔質層は、各金属層と、それに対応する電極（すなわち、カソード又はアノード）との間に配設されている。具体的には、多孔質層１７４０ａは、第２の金属層１７５４ａとカソード１７１０ａとの間に配設されている。多孔質層１７４０ｂは、第１の金属層１７５２ａとアノード１７２０ａとの間に配設されている。多孔質層１７４０ｃは、第１の金属層１７５２ｂとカソード１７１０ｂとの間に配設されている。多孔質層１７４０ｄは、第２の金属層１７５４ａとアノード１７２０ｂとの間に配設されている。

多孔質層１７４０ａ、１７４０ｂ、１７４０ｃ、及び１７４０ｄは、ｚ方向に対して垂直方向に流体伝導性であると同時に、ｚ方向に導電性である。多孔質層１７４０ａ、１７４０ｂ、１７４０ｃ、及び１７４０ｄの導電性は、双極型バッテリによって発生した電気が、ｚ方向に伝送されることを可能にする。更に、多孔質層の１７４０ａ、１７４０ｂ、１７４０ｃ、及び１７４０ｄの流体伝導性は、電解質が、双極型バッテリ１７００内の電極（すなわち、カソード及び／又はアノード）に流入することを可能にする。様々な実施形態では、多孔質層は、各々の電極、又はカソード及びアノードの両方に必ずしも関連付けられてはいない。

多孔質層１７４０ａ、１７４０ｂ、１７４０ｃ、及び１７４０ｄは、多孔質及び導電性の両方の１つ以上の材料を含むことができる。このような材料の非限定的な例としては、焼結金属、有孔金属、及び発泡金属が挙げられる。様々な追加的な選択肢では、この材料はメッシュ材料とすることができる。様々な実施形態では、多孔質層１７４０ａ、１７４０ｂ、１７４０ｃ、及び１７４０ｄは、双極型バッテリから外へガスを輸送するようにも構成され得る。この材料は、追加の液体（例えば、電解質）を、ウィックによるなどの毛細管作用に基づいて、受動的に輸送するように構成され得る。あるいは、追加の液体は、多孔質層に能動的に添加され得る。

前述の説明では、記述する実施形態の完全な理解をもたらすために、説明を目的として特定の専門用語を使用した。しかし、記述する実施形態を実践するために、特定の詳細が必要とされないことが当業者にとっては明らかであろう。よって、本明細書に記述する特定の実施形態の前述の説明は、例示及び説明を目的として提示される。これらの説明は、網羅的であることも、又は開示する厳密な形態に実施形態を限定することも、目的としていない。上記の教示を考慮すれば、多くの修正形態及び変形形態が可能であることが当業者にとっては明らかであろう。

Claims (24)

1. 積層された向きで配設された第１のセル及び第２のセルと、
   前記第１のセルを前記第２のセルに接続し、第１の金属層及び第２の金属層を有する双極プレートと、
   を備え、前記双極プレートが、接続領域と空隙領域とを有し、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間の分離距離が、前記接続領域よりも前記空隙領域において大きい、双極型バッテリ。
2. 前記第１のセル及び前記第２のセルが、それぞれ、カソード、アノード、セパレータ、及びシールを含む、請求項１に記載の双極型バッテリ。
3. 前記第１のセルの前記シールが、前記空隙領域内の前記第１の金属層に接続され、前記第２のセルの前記シールが、前記空隙領域内の前記第２の金属層に接続されている、請求項２に記載の双極型バッテリ。
4. 前記第１及び第２のセルの前記シールが、前記積層された向きの方向における前記空隙領域の最大１０％の増加に対処するように構成されている、請求項２に記載の双極型バッテリ。
5. 前記第２の金属層に動作可能に接続されたバランス回路を備える、請求項１に記載の双極型バッテリ。
6. 第１のセルスタックが、前記第１のセル及び前記第２のセルを含み、前記第１のセルスタックが、第１の導電プレートと第２の導電プレートとの間に配設されており、
   第２のセルスタックが、第３のセル及び第４のセルを含み、前記第２のセルスタックが、前記第２の導電プレートと第３の導電プレートとの間に配設されている、請求項１に記載の双極型バッテリ。
7. 前記第１のプレートが、複数の流体伝導孔を含む、請求項６に記載の双極型バッテリ。
8. 前記第２のプレート及び前記第３のプレートがそれぞれ、複数の流体伝導孔を含む、請求項７に記載の双極型バッテリ。
9. 前記第１のセルの前記カソードに動作可能に接続された基準電極を備える、請求項２に記載の双極型バッテリ。
10. 前記第１のセルの前記セパレータ上にセラミック層が配設された、請求項２に記載の双極型バッテリ。
11. 前記第１の金属層上の前記接続領域内に配設された第１の感熱層を備える、請求項１に記載の双極型バッテリ。
12. 前記第１の感熱層が、前記第１のセルと前記第２の金属層との間に配設される、請求項１１に記載の双極型バッテリ。
13. 前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に配設された第２の感熱層を備える、請求項１２に記載の双極型バッテリ。
14. 前記第１の感熱層と前記第２の金属層との間に配設されたセラミック層を備える、請求項１２に記載の双極型バッテリ。
15. 前記第１の金属層と前記第１のセルの前記アノードとの間に配設された第１の多孔質層を備える、請求項２に記載の双極型バッテリ。
16. 前記第２の金属層と前記第２のセルの前記カソードとの間に配設された第２の多孔質層を備える、請求項１５に記載の双極型バッテリ。
17. 積層された向きで配設された第１のセル及び第２のセルであって、
    それぞれが、カソード、アノード、セパレータを含む、第１のセル及び第２のセルと、
    前記第１のセルを前記第２のセルに接続し、第１の金属層及び第２の金属層を有する双極プレートであって、接続領域と空隙領域とを含む、双極プレートと、
    前記第１のセル及び前記第２のセルそれぞれの終端にあるバリア層と、
    を備える双極型バッテリ。
18. 前記第２の金属層が、前記第２のセルの前記セパレータに接合されている、請求項１７に記載の双極型バッテリ。
19. 前記第２の金属層が、前記第２のセルの前記バリア層に接合されている、請求項１７に記載の双極型バッテリ。
20. 複数の電気化学セルであって、各電気化学セルが、カソード、セパレータ、及びアノードを有し、前記電気化学セルが、積層された向きで配置される、複数の電気化学セルと、
    複数の双極プレートであって、各双極プレートが、隣接する電気化学セル間に配設されており、各双極プレートが、第１の金属層及び第２の金属層を有し、前記第１の金属層の周端部と前記第２の金属層の周端部とが、分離距離だけ間隔を空けて配置されて、空隙領域を形成している、複数の双極プレートと、
    複数の電気化学的シールであって、各電気化学的シールが、第１の双極プレートの第２の金属層の前記周端部と、第２の隣接する双極プレートの第１の金属層の前記周端部との間に配設されている、電気化学的シールと、
    を備える、双極型バッテリ。
21. 前記電気化学的シールが、前記複数の電気化学セルの各電気化学セルを電気化学的に遮断する、請求項２０に記載の双極型バッテリ。
22. 前記第１の金属層の前記周端部と前記第２の金属層の前記周端部との間の前記分離距離Ｔが、前記電気化学セルが積層された方向で最大１０％増加し得る、請求項２０に記載の双極型バッテリ。
23. 複数の可撓性シールを更に備え、各可撓性シールが、各双極プレートの前記第１の金属層の前記周端部と前記第２の金属層の前記周端部との間の前記空隙領域内に配設されている、請求項２０に記載の双極型バッテリ。
24. 複数の電気化学セルであって、各電気化学セルが、カソード、セパレータ、及びアノードを有し、前記電気化学セルが、積層された向きで配置される、複数の電気化学セルと、
    複数の双極プレートであって、各双極プレートが、隣接するセル間に配設されており、各双極プレートが、第１の金属層及び第２の金属層を有し、前記第１の金属層の前記周端部と前記第２の金属層の前記周端部とが間隔を空けて配置されて、空隙を形成している、複数の双極プレートと、
    複数の電気化学的シールであって、各電気化学的シールが、第１の双極プレートの第２の金属層の周端部と、第２の隣接する双極プレートの第１の金属層の周端部との間に配設されている、電気化学的シールと、
    複数の可撓性シールであって、各可撓性シールが、前記第１の金属層の前記周端部と前記第２の金属層の前記周端部との間の前記空隙に配設されている、複数の可撓性シールと、
    を備える、双極型バッテリ。