JP2019514180A - 電極隔離フレームを有する電気化学的セル - Google Patents
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Abstract
単一電極対電気化学的セル（２０）は、内方へ面した側にペーストされた第１の活性材料（２８）を有するアノード箔基板（２６）と、内方へ面した側にペーストされた第２の活性材料（２４）を有するカソード箔基板（２２）と、アノードとカソードとの間に配置されたセパレータシート（３０）と、箔（２２，２６）の周縁部に沿って配置されたホットメルトシーラント又は感圧接着剤などのシーリング材料（４０）と、シーリング材料によって基板の間にシールされた電解質とを有する。加えて、薄いプラスチックフィルムフレーム（６０）が、基板の周縁部を越えて延在するように、シーリング材料（４０）に埋め込まれている。
Description
分野
本開示は、概して、積層された構成で配置された単一電極対を有する電気化学的セル、特に、電極を互いに隔離する、単一電極対セルに組み込まれたプラスチックフレームに関する。
本開示は、概して、積層された構成で配置された単一電極対を有する電気化学的セル、特に、電極を互いに隔離する、単一電極対セルに組み込まれたプラスチックフレームに関する。
背景
バッテリパックは、可搬式電子機器から、更新可能な電力システム、及び、環境に優しい車両までに至る様々な技術のための電力を提供する。例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、燃料効率を高めるために燃焼機関に関連してバッテリパック及び電気モータを使用する。バッテリパックは、複数のバッテリモジュールから形成されており、各バッテリモジュールは、複数の電気化学的セルを有する。バッテリモジュール内において、セルは、二次元又は三次元の配列で配置されており、直列又は並列に電気的に接続されている。同様に、バッテリパック内のバッテリモジュールは、直列又は並列に接続されている。
バッテリパックは、可搬式電子機器から、更新可能な電力システム、及び、環境に優しい車両までに至る様々な技術のための電力を提供する。例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、燃料効率を高めるために燃焼機関に関連してバッテリパック及び電気モータを使用する。バッテリパックは、複数のバッテリモジュールから形成されており、各バッテリモジュールは、複数の電気化学的セルを有する。バッテリモジュール内において、セルは、二次元又は三次元の配列で配置されており、直列又は並列に電気的に接続されている。同様に、バッテリパック内のバッテリモジュールは、直列又は並列に接続されている。
概要
いくつかの態様において、バッテリモジュールは、複数の電気的に接続された電気化学的セルを有する。いくつかの態様において、電気化学的セルは、単一の正極と、単一の負極と、正極と負極との間に配置されたセパレータとを有する。正極、負極及びセパレータは、積層された構成で配置されている。正極と負極とを隔離するために、電気的に絶縁性のフレームが、正極及び負極の部分の間に配置されている。フレームは、正極及び負極の周縁部に対して外方へ突出した外側周縁部を有する。加えて、シーリング材料層が正極と負極との間に存在する。シーリング材料層は、第１のシーリング部分及び第２のシーリング部分を有する。第１のシーリング部分は、フレームと、正極の内方へ面した側との間に配置されており、第２のシーリング部分は、フレームと、負極の内方へ面した側との間に配置されている。フレームは、シーリング材料層によって正極及び負極に対して固定されている。
いくつかの態様において、バッテリモジュールは、複数の電気的に接続された電気化学的セルを有する。いくつかの態様において、電気化学的セルは、単一の正極と、単一の負極と、正極と負極との間に配置されたセパレータとを有する。正極、負極及びセパレータは、積層された構成で配置されている。正極と負極とを隔離するために、電気的に絶縁性のフレームが、正極及び負極の部分の間に配置されている。フレームは、正極及び負極の周縁部に対して外方へ突出した外側周縁部を有する。加えて、シーリング材料層が正極と負極との間に存在する。シーリング材料層は、第１のシーリング部分及び第２のシーリング部分を有する。第１のシーリング部分は、フレームと、正極の内方へ面した側との間に配置されており、第２のシーリング部分は、フレームと、負極の内方へ面した側との間に配置されている。フレームは、シーリング材料層によって正極及び負極に対して固定されている。
電気化学的セルは、以下の特徴のうちの１つ又は複数を有しているものとしてもよい。第１のシーリング部分及び第２のシーリング部分は、全体的に、正極及び負極の両方の外側周縁部内に存在する。フレームの内側周縁部と、フレームの外側周縁部との間において、フレームに開口が設けられている。フレームは、不均一な断面厚さを有する。フレームは、第１の厚さを有する、正極と負極との間に配置された第１のフレーム部分と、第２の厚さを有する、正極及び負極の周縁部の外側に配置された第２のフレーム部分とを含むＴ字形断面形状を有する。第２の厚さは第１の厚さよりも大きい。フレームは、均一な厚さを有し、センサリードを収容するように成形及び寸法決めされたもどり止を有する。フレームは、電気的に隔離するフィルムから形成されている。フレームは、強化エレメントを有する。フレームは、熱伝導性である。フレームは、フレームへの検出リード及びセルモニタリング機器の取付けを補助する特徴を有する。
いくつかの態様において、単一電極対電気化学的セルは、内方へ面した側にペーストされた第１の活性材料を有するアノード箔基板と、内方へ面した側にペーストされた第２の活性材料を有するカソード箔基板と、アノードとカソードとの間に配置されたセパレータシートと、箔の周縁部に沿って配置されたホットメルトシーラント又は感圧接着剤などのシーリング材料と、シーリング材料によって基板の間にシールされた電解質とを有する。基板は、不透過性の層、エンクロージャ及び電極として作用する。したがって、本明細書において用いられるとき、“基板”及び“電極”という用語は置き換えることができる。電極の間のシーリング材料層は、電極を所定の位置に固定しかつ電極の間の電気的短絡を防止するために、電極の周囲に沿って延びている。加えて、薄い、電気的に絶縁性のフィルムフレームが、電極の周縁部を越えて延在するように、シーリング材料層に埋め込まれている。このフレームは、電極プレートが他のプレートへ短絡することができる前に当該電極プレートが変形しなければならない距離を増大させることによって、接着剤層の隔離を越えて付加的な隔離を付加し、電極が破片及び金属薄片によって短絡させられることを遮断する。
これは、接着剤層が、電極の周縁部までしか延びておらず、電極のクリープ及び変形に対しても、デブリ及び切断エッジ破片が間隙を横断し、セルを短絡させることに対しても守られていない、いくつかの単一電極対セルと比較することができる。
この開示の１つ又は複数の特徴、態様、実現及び利点は、添付の図面、詳細な説明及び後述の請求項に示されている。
詳細な説明
図１及び図２を参照すると、バッテリモジュール６は、電気的に相互接続されかつバッテリモジュールハウジング８内に組織化された形式で格納された電気化学的セル２０を有する発電及び記憶装置である。セル２０は、例えば積層することによって、モジュールハウジング８内に配置することができる。モジュールハウジング８は、正（＋）バスバー５２及び負（−）バスバー５４を有する。バッテリモジュールハウジング８内で、セル２０は、直列又は並列に電気的に接続されている。複数のバッテリモジュール６がバッテリパック２を形成するようにバッテリパックハウジング４に配置されているものとしてもよく、バッテリパックハウジング４内で、バッテリモジュール６は直列又は並列に電気的に接続されている。各セル２０は、後で詳細に説明するように、積層された構成で配置された単一電極対と、セル２０の電極２２，２６を互いから隔離する、単一電極対セルに組み込まれた電気的に絶縁性のフレーム６０とを有する。
図１及び図２を参照すると、バッテリモジュール６は、電気的に相互接続されかつバッテリモジュールハウジング８内に組織化された形式で格納された電気化学的セル２０を有する発電及び記憶装置である。セル２０は、例えば積層することによって、モジュールハウジング８内に配置することができる。モジュールハウジング８は、正（＋）バスバー５２及び負（−）バスバー５４を有する。バッテリモジュールハウジング８内で、セル２０は、直列又は並列に電気的に接続されている。複数のバッテリモジュール６がバッテリパック２を形成するようにバッテリパックハウジング４に配置されているものとしてもよく、バッテリパックハウジング４内で、バッテリモジュール６は直列又は並列に電気的に接続されている。各セル２０は、後で詳細に説明するように、積層された構成で配置された単一電極対と、セル２０の電極２２，２６を互いから隔離する、単一電極対セルに組み込まれた電気的に絶縁性のフレーム６０とを有する。
単層セル２０は、成層化された導体−セパレータ−導体構成で配置された単一の正極２２と、単一のセパレータ３０と、単一の負極２６とを有するリチウムイオンセルである。正極２２は、第１の導電性材料から形成されかつ内方へ面した側に配置された第１の活性材料層２４を有する第１の箔基板を有する。例えば、正極２２は、アルミニウム箔から形成されているものとしてもよく、内方へ面した側に配置されたリチウム化金属酸化物活性材料層２４を有しているものとしてもよい。第１の活性材料層２４は、正極２２の周縁部２３から離隔させられている。その結果、正極の周縁部２３に沿って、正極の内方へ面した側に沿って、第１のクリアレーン２５が設けられている。第１のクリアレーン２５は、第１の活性材料層２４を有さない。負極２６は、第２の導電性材料から形成されかつ内方へ面した側に配置された第２の活性材料層２８を有する第２の箔基板を有する。例えば、負極２６は、銅箔から形成されているものとしてもよく、内方へ面した側に配置されたグラファイト活性材料層２８を有しているものとしてもよい。第２の活性材料層２８は、負極２６の周縁部２７から離隔させられている。その結果、負極の周縁部２７に沿って、負極の内方へ面した側に沿って、第２のクリアレーン２９が設けられている。第２のクリアレーン２９は、活性材料層２８を有さない。
セル２０は、正極２２及び負極２６の間に配置されたセパレータ３０を有する。特に、セパレータ３０は、正極及び負極の活性材料層２４，２８の間に存在するようにサイズ決め及び寸法決めされており、第１及び第２のクリアレーン２５，２９の間に部分的にのみ突出していているものとしてもよい。セパレータ３０は、電解質に提供されたイオン電荷キャリヤの通過も許容しながら電気的短絡を防止するために正極２２及び負極２６を離しておくために機能しかつセル２０内の電流の通過の間に回路を閉じるために必要とされる、透過性の膜である。セパレータ３０は、例えば、３層ポリプロピレン−ポリエチレン−ポリプロピレン膜などの電気的絶縁材料から形成されている。
ホットメルトシーラント又は感圧接着剤などのシーリング材料層４０が、正極２２及び負極２６の周縁部２３，２７に沿って配置されており、電解質は、シーリング材料層４０によって正極２２と負極２６との間にシールされている。シーリング材料層４０は、クリアレーン２５，２９内に、正極及び負極２２，２６を形成した基板の間に配置されており、電極２２，２６の周縁部に沿って延びている。例示された実施の形態において、シーリング材料層４０は、第１のシーリング部分４４と、第２のシーリング部分４６とを有する。第１のシーリング部分４４は、フレーム６０と、正極２２の内方へ面した側との間に配置されており、第２のシーリング部分４６は、フレーム６０と、負極２６の内方へ面した側との間に配置されている。フレーム６０は、シーリング材料部分４４，４６によって、正極２２及び負極２６に対して固定されており、シーリング材料部分４４，４６は、セル２０からの電解質の漏れを防止する。
セル２０は、正極２２及び負極２６と、セパレータ３０との積層された配列により形成されているので、セル２０は、いくつかの慣用的なセルに対して極めて薄い。セル厚さの非制限的な例として、いくつかの実施の形態において、セル２０は、０．５ｍｍ乃至１．５ｍｍの範囲の、正極外面と負極外面との間の距離に対応する厚さを有しているものとしてもよい。他の実施の形態において、セル２０は、０．２ｍｍ乃至０．５ｍｍの範囲の厚さを有しているものとしてもよい。
セル２０は、シーリング材料層４０に埋め込まれた、均一な厚さの、薄い、電気的に絶縁性のフィルムフレーム６０も有する。フレーム６０は、セパレータ３０を包囲する内側周縁部６８と、外側周縁部６６とを有する。内側周縁部６８は、シーリング材料層４０の第１のシーリング部分４４と、シーリング材料層４０の第２のシーリング部分４６との間に挟まれており、これにより、正極の内方へ面した側とフレーム６０との間及び負極の内方へ面した側とフレーム６０との間に、シールが存在する。フレーム６０の外側周縁部６６は、正極及び負極２２，２６の周縁部２３，２７を越えて延びている。フレーム６０は、正極２２の周縁部を負極２６の周縁部から電気的に隔離し、これにより、正極及び負極２２，２６の間の電気的短絡を防止する。
いくつかの実施の形態において、フレーム６０は、電気的に隔離するフレキシブルフィルムから形成されている。
いくつかの実施の形態において、フレーム６０はプラスチックから形成されている。例えば、フレーム６０は、薄いプラスチックフィルムから形成されていているものとしてもよい。
いくつかの実施の形態において、フレーム６０は、電気的に隔離する、薄い剛性のフィルムから形成されており、フィルムは、フレーム６０の外方へ延在する部分に対する重力の作用により、フレームの外側周縁部６６が、フレームの内側周縁部６８と同一平面にならず、フレームの内側周縁部６８よりも下方になるように、十分に薄い。
いくつかの実施の形態において、フレーム６０は、熱伝導性でありかつ電気的に隔離するフィルムから形成されており、これにより、フレームの周縁部を介して熱をセルから逃がすことができる。
しかしながら、フレーム６０がこれらの構成に限定されないことが理解される。例えば、いくつかの実施の形態において、フレーム６０を形成する薄いフィルムを提供するために、非プラスチックの、非導電性材料が使用されているものとしてもよい。別の例として、いくつかの実施の形態において、フレーム６０を形成するために、フィルムではない非導電性材料が使用されているものとしてもよい。
図３及び図４を参照すると、バッテリモジュール６は、代替的な実施の形態のセル１２０を有しているものとしてもよい。セル１２０は、図２に関して上述したセル２０と同様であり、共通の要素を示すために、共通の参照符号が使用される。セル１２０は、セル１２０が、剛性の薄いフィルムから形成された、セルを安定化させることを支援しかつセル取扱いを補助するために強化構造として作用するように強化された、代替的な実施の形態のフレーム１６０を有するという点で、図２のセルと異なる。強化は、フィルムにリブ又は埋め込まれたロッド（図示せず）を設けるなどの構造的特徴の結果得られてもよい又はフィルムを形成するための特定の材料、例えば、繊維強化材料の使用の結果得られてもよい。例示された実施の形態において、フレーム１６０は、シールシームに対して平行に延在する強化繊維１６２を有する。
図５及び図６を参照すると、バッテリモジュール６は、別の代替的な実施の形態のセル２２０を有しているものとしてもよい。セル２２０は、図２に関して上述したセル２０と同様であり、共通の要素を示すために、共通の参照符号が使用される。セル２２０は、セル２２０が代替的な実施の形態のフレーム２６０を有するという点で、図２のセル２０と異なる。フレーム２６０は、セル２２０への検出リード及びセルモニタリング機器の取付けを補助する特徴を含むフィルムから形成されている。このような特徴は、貫通孔２６４、突出した表面特徴（図示せず）、凹んだ表面特徴（図示せず）、テクスチャ（図示せず）及び／又は材料を含んでもよいが、これらに限定されない。例示した実施の形態において、貫通孔２６４は、正極及び負極２２，２６の周縁部の外側に設けられており、各貫通孔２６４は、隣接する貫通孔２６４から離隔させられている。
代替的に、貫通孔２６４は、セル２２０をモジュールハウジング８内に固定するために使用されてもよい。例示された実施の形態において、ロッド２６９は、バッテリモジュール６内に積層されたセル２２０の貫通孔を通って延びており、各端部においてモジュールハウジング８に固定されている。ロッド２６９は、セル２２０を積層された構成に維持し、隣接するセル２２０の相対移動又はセル２２０とモジュールハウジング８との相対移動を防止する。いくつかの実施の形態において、ロッド２６９は、モジュールハウジング８内に格納された積層されたセル２２０に圧縮力を加えるためにモジュールハウジング８と協働するものとしてもよく、これによって、隣接するセル２２０の間の確実な直列電気接続を保証する。
図７及び図８を参照すると、バッテリモジュール６は、別の代替的な実施の形態のセル３２０を有しているものとしてもよい。セル３２０は、図２に関して上述したセル２０と同様であり、共通の要素を示すために、共通の参照符号が使用される。セル３２０は、セル３２０が、センサリード３５０と、センサリード３５０を収容するように構成された代替的な実施の形態のフレーム３６０とを有するという点で、図２のセル２０と異なる。センサリード３５０は、導電性であり、セル３２０の電極２２，２６のうちの一方に電気的に接続されている。例えば、例示した実施の形態において、センサリード３５０の一方の端部は、負極２６の内面に電気的に接続されており、反対側の端部（図示せず）は、バッテリマネジメントシステム（ＢＭＳ、図示せず）に電気的に接続されている。センサリード３５０は、例えば、ＢＭＳによって、セル電圧、温度等の検出を可能にするように構成されている。
フレーム３６０は、センサリード３５０を収容しかつセンサリード３５０をセル３２０の一方の側から出すもどり止３６２を有する。フレーム３６０は均一な厚さであり、もどり止３６２は、センサリード３５０の形状及び寸法に合致するように成形及び寸法決めされたフレームのオフセット部分である。
フレーム３６０は、第１及び第２のシーリング材料部分４４，４６によって、正極２２及び負極２６に対して固定されており、シーリング材料部分４４，４６は、セル２０からの電解質の漏れを防止する。第１のシーリング部分４４は、フレーム３６０と、正極２２の内方へ面した側との間に配置されており、第２のシーリング部分４６は、フレーム３６０と、センサリード３５０の内方へ面した側との間に配置されている。
図９及び図１０を参照すると、バッテリモジュール６は、さらに別の代替的な実施の形態のセル４２０を有しているものとしてもよい。セル４２０は、図２に関して上述したセル２０と同様であり、共通の要素を示すために、共通の参照符号が使用される。セル４２０は、セル４２０が別の代替的な実施の形態のフレーム４６０を有するという点において、図２のセル２０と異なる。フレーム４６０は、不均一な断面厚さを有する。特に、フレーム４６０は、正極２２と負極２６との間に配置された、第１の厚さを有するフレーム内側周縁部６８を有する第１のフレーム部分４６１と、正極２２及び負極２６の周縁部の外側に配置された、第２の厚さを有するフレーム外側周縁部４６６を有する第２のフレーム部分４６２とを有し、第２の厚さは第１の厚さよりも大きい。例示した実施の形態において、第２のフレーム部分４６２は、セル４２０の全体的な厚さに対応する厚さを有する。不均一な厚さを有するフレーム４６０を設けることにより、極めて薄いセル４２０を設けることが可能である。なぜならば、セル４２０内に配置される第１のフレーム部分４６１も、極めて薄いからである。加えて、フレーム４６０の外側部分、例えば、フレームの第２の部分４６２は、比較的厚いので、セル４２０をモジュールハウジング８に固定するために、フレーム４６０をより確実に使用することができる。そのために、図５及び図６に関して上述したような貫通孔（図示せず）がフレームの第２の部分４６２に設けられているものとしてもよい。
上述の実施の形態は、例として示されており、これらの実施の形態が様々な変更及び代替的形式を有しているものとしてもよいことが理解されるべきである。さらに、請求項は、開示された特定の形式に限定されることは意図されておらず、むしろ、この開示の思想及び範囲に含まれる全ての変更、均等物及び代替物をカバーすることが意図されていることが理解されるべきである。
Claims (20)
- 電気化学的セルであって、
単一の正極と、
単一の負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータであって、前記正極と、前記負極と、前記セパレータとが、積層された構成に配置されている、セパレータと、
前記正極と前記負極とを隔離するために前記正極の部分と前記負極の部分との間に配置された、電気的に絶縁性のフレームであって、前記正極及び前記負極の周縁部に対して外方へ突出した外側周縁部を有する、電気的に絶縁性のフレームと、
前記正極と前記負極との間に存在するシーリング材料層であって、第１のシーリング部分と、第２のシーリング部分とを有し、前記第１のシーリング部分は、前記フレームと、前記正極の内方へ面した側との間に配置されており、前記第２のシーリング部分は、前記フレームと、前記負極の内方へ面した側との間に配置されており、前記フレームは、前記シーリング材料層によって前記正極及び前記負極に対して固定されている、シーリング材料層と、
を備える、電気化学的セル。 - 前記第１のシーリング部分及び前記第２のシーリング部分は、全体的に、前記正極及び前記負極の両方の外側周縁部内に存在する、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 前記フレームの内側周縁部と、前記フレームの外側周縁部との間において、前記フレームに開口が設けられている、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 前記フレームは、不均一な断面厚さを有する、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 前記フレームは、第１の厚さを有する、前記正極と前記負極との間に配置された第１のフレーム部分と、第２の厚さを有する、前記正極及び前記負極の周縁部の外側に配置された第２のフレーム部分とを含むＴ字形断面形状を有し、前記第２の厚さは、前記第１の厚さよりも大きい、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 前記フレームは、均一な厚さを有し、センサリードを収容するように成形及び寸法決めされたもどり止を有する、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 前記フレームは、電気的に隔離するフィルムから形成されている、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 前記フレームは、強化エレメントを有する、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 前記フレームは、熱伝導性である、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 前記フレームは、当該フレームへの検出リード及びセルモニタリング機器の取付けを補助する特徴を有する、請求項１に記載の電気化学的セル。
- 複数の電気的に接続されたセルを含むバッテリモジュールであって、各セルは、
単一の正極と、
単一の負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータであって、前記正極と、前記負極と、前記セパレータとが、積層された構成に配置されている、セパレータと、
前記正極と前記負極とを隔離するために前記正極及び前記負極の部分の間に配置された、電気的に絶縁性のフレームであって、前記正極及び前記負極の周縁部に対して外方へ突出した外側周縁部を有する、電気的に絶縁性のフレームと、
前記正極と前記負極との間にあるシーリング材料層であって、第１のシーリング部分と、第２のシーリング部分とを有し、前記第１のシーリング部分は、前記フレームと、前記正極の内方へ面した側との間に配置されており、前記第２のシーリング部分は、前記フレームと、前記負極の内方へ面した側との間に配置されており、前記フレームは、前記シーリング材料層によって前記正極及び前記負極に対して固定されている、シーリング材料層と、
を備える、バッテリモジュール。 - 前記第１のシーリング部分及び前記第２のシーリング部分は、全体的に、前記正極及び前記負極の両方の外側周縁部内に存在する、請求項１１に記載のバッテリモジュール。
- 前記フレームの内側周縁部と、前記フレームの外側周縁部との間において、前記フレームに開口が設けられている、請求項１１に記載のバッテリモジュール。
- 前記フレームは、不均一な断面厚さを有する、請求項１１に記載のバッテリモジュール。
- 前記フレームは、第１の厚さを有する、前記正極と前記負極との間に配置された第１のフレーム部分と、第２の厚さを有する、前記正極及び前記負極の周縁部の外側に配置された第２のフレーム部分とを含むＴ字形断面形状を有し、前記第２の厚さは、前記第１の厚さよりも大きい、請求項１１に記載のバッテリモジュール。
- 前記フレームは、均一な厚さを有し、センサリードを収容するように成形及び寸法決めされたもどり止を有する、請求項１１に記載のバッテリモジュール。
- 前記フレームは、電気的に隔離するフィルムから形成されている、請求項１１に記載のバッテリモジュール。
- 前記フレームは、強化エレメントを有する、請求項１１に記載のバッテリモジュール。
- 前記フレームは、熱伝導性である、請求項１１に記載のバッテリモジュール。
- 前記フレームは、当該フレームへの検出リード及びセルモニタリング機器の取付けを補助する特徴を有する、請求項１１に記載の電気化学的セル。
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