JP2020527841A - エネルギ貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、容器と陰極材料シートと陽極材料シートとセパレータ材料とを備えている電気化学エネルギ貯蔵装置に関する。陰極材料シートと陽極材料シートとが、湾曲した側壁及び２つの端面を有するシリンドリカル状の電気化学セルアセンブリを提供するために、容器の内部において巻回軸線を中心として巻回されている。陰極材料シート及び陽極材料シートのうち少なくとも１つの材料シートが、シリンドリカル状の電気化学セルアセンブリの一方の端面から延在している、複数のタブを有している。タブが、巻回軸線を中心とする螺旋状に端面に配置されている。

Description

本発明は、電気化学エネルギ貯蔵装置に関する。より具体的には、本発明は、巻回された電気化学エネルギ貯蔵装置のための導電性材料シートの配置に関する。

巻回されたセルは、一般に限られた数量の接続を具備して構成されている。導電性材料シート（例えば集電体材料シートすなわち電極）は、接続タブ又は集電性材料シートから切り出されたタブを備えている。シートからタブを切り出すことは、セルの熱導電性を向上させるための一の方法である。また、単一のタブを有しているシステムとは対照的に、シートから複数のタブを切り出すことは、廃材の量を低減させる。複数のタブを形成するために、材料が切り出され廃棄されるからである。さらに、複数のタブを導電シートに設けることは、オーム抵抗を低減させるので、高電流率での大きな電圧降下を防止すると共に、電気化学エネルギ貯蔵装置の全体エネルギを改善することができる。

従って、タブの数量を増加させることついてのインセンティブが存在する。しかしながら、タブの数量を増加させることには、タブから余分な材料を包み折り曲げるという異なる課題も伴う。図１及び図２は、巻かれた導電性材料シートの、タブを具備する端面についての従来技術の例示を表わす。タブは、当該タブが電気機械装置の内部に折り込まれた場合に互いに電気的に接触するように折り曲げられるように配置されている。しかしながら、折り曲げられたタブによって占められる空間体積は、折り曲げられた場合に組み合わされるタブの厚さが電気化学装置の大きさに影響を及ぼすように累積的とされる。さらに、図１及び図２の装置に表わす量の材料を折り曲げることの困難さが、タブの数量を制限する。

第１の態様では、本発明は、エネルギ貯蔵装置のための導電性材料シートであって、導電性材料シートが、導電性材料シートの長辺から延在している複数のタブを備えており、導電性材料シートが、複数のワインディングを形成するために、長辺に対して垂直な巻回軸線を中心として巻回可能とされる、導電性材料シートにおいて、タブが、導電性材料シートが巻回軸線を中心として巻回されている場合にタブが巻回軸線を中心として螺旋状に配置されるように、長辺に沿って離隔配置されていることを特徴とする導電性材料シートを提供する。

第２の態様では、本発明は、容器と陰極材料シートと陽極材料シートとセパレータ材料とを備えている電気化学エネルギ貯蔵装置であって、陰極材料シートと陽極材料シートとが、湾曲した側壁及び２つの端面を有するシリンドリカル状の電気化学セルアセンブリを提供するために、容器の内部において巻回軸線を中心として巻回されている、電気化学エネルギ貯蔵装置において、陰極材料シート及び陽極材料シートのうち少なくとも１つの材料シートが、シリンドリカル状の電気化学セルアセンブリの一方の端面から延在している、複数のタブを有しており、タブが、巻回軸線を中心とする螺旋状に端面に配置されていることを特徴とする電気化学エネルギ貯蔵装置を提供する。

タブが導電性材料シートの巻回軸線を中心とする螺旋状に配置されることによって、セルを横断する熱伝達を著しく改善しつつ、タブの折り曲げを容易にすることができる。螺旋状に配置されたタブは、互いに対してオフセットされているので、一層容易に折り曲げ可能とされる。さらに、導電性材料シートに設けられるタブの数量は、タブが重ねられた場合にタブの大部分が占める容積によって限定される訳では無い。従って、巻回の回数は、従来技術に基づく電気化学エネルギ貯蔵装置と比較して多くなるので、本発明における電気化学エネルギ貯蔵装置のエネルギ密度及び容量を大きくすることができる。タブの数量も多くすることができるので、当該装置では、電圧降下を低減し、温度勾配及び電流密度分布を改善し、熱伝導率を高めることができる。

タブが、巻回された導電性材料シートを巻回軸線に沿って見た場合にタブそれぞれの長さの一部が隣り合うタブと重なるように、長辺に沿って離隔配置されている。すなわち、タブが、シリンドリカル状の電気化学セルアセンブリの端面を巻回軸線に沿って見るとタブそれぞれの長さの一部が隣り合うタブと重なるように、陰極材料シート又は陽極材料シートに沿って配置されている。当該実施例では、タブそれぞれの縁部が、折り曲げられた場合に、タブ同士が互いに接触し、タブの折り曲げを補助するように、隣り合う螺旋状のタブの長さの一部を占有する。このことは、電気化学装置の組立容易性を改善しつつ、組み立てられたタブ同士の電気的接触を提供する。タブ同士は、例えばスポット溶接又は超音波溶着によって電気的に接続される。

タブは、導電性材料シートに、すなわち陰極シート若しくは陽極シート又は集電シートに一体化されている。材料の浪費を防止するために、タブは、導電性材料シートからタブを切り出す代わりに、別体の金属ストリップを導電性材料の未被覆領域に直接溶着することによって組み立てられている場合がある。しかしながら、溶着するタブの数量が増加することによって、未被覆領域が大きくなるので、電気化学装置の巻線効率が低下する。さらに、筒状の導電性材料の巻線効率は大きくなる。金属ストリップから構成される溶接されたタブに関連するオフセット又は不連続性が存在しないからである。シートが巻き付けられた場合にタブが螺旋状になるので、タブの数量が従来技術に基づくタブ付シートと比較して多くなる。このことは、無駄な材料がほとんど発生しないことを意味する。多くのタブのための材料が導電性材料シートの長手方向縁部に残っているからである。

長辺に沿ったタブそれぞれの長さは、タブ同士の間の間隔が大きくなるに従って大きくなる。タブの長さは熱伝導性に関連するので、タブの長さが大きくなると熱伝導性が改善される。従って、より長いタブを導電性シートの一方の端部に設けることによって、特定の方向における熱伝導を可能とする。同様に、長辺から離隔するように延在しているタブそれぞれの高さが異なる場合がある。タブの高さは、タブ同士の間の間隔が大きくなるに従って、長辺に沿って大きくなる。熱伝導に有用であるのと同様に、比較的高いタブが、比較的低いタブを覆うように内方に折り曲げ可能とされるので、すべてのタブが、確実に重なることができる。これら寸法差は、別々に又は同時に利用可能とされる。特定の実施例では、タブのスパイラルは、長さ及び高さが最も小さいタブが巻線軸線に最も近接するように、時計回りで外方に延在している。言い換えれば、スパイラルは、最も外側のタブから持つとも内側のタブに至るまで時計回りに周回している。特定の実施例では、比較的大きいタブが、丸められた基材の外側のワインディングに設けられており、これにより熱を電気化学装置の中心から奪うことができる。さらに、より大きいタブが折り曲げ可能とされ、電気化学装置の中心に到達する。他の実施例では、２つ以上の螺旋状のタブが端面に形成されるように、シートが丸められる。

陽極材料シート及び陰極材料シートの両方が、複数のタブを備えている。陽極材料シートのタブが一方の端面を占有しており、陰極材料シートのタブが他方の端面を占有している。陽極材料シート及び陰極材料シートとの用語は、電気化学装置の陰極又は陽極である導電性材料か、その一部を形成している導電性材料を説明するために利用されている。例えば、陽極材料シートとの用語は、集電シート、電極シート、及び複合材料シートを含んでいる。陽極材料シートと陰極材料シートとの両方がタブを有している場合には、電気化学装置の全体性能は、温度勾配及び電流密度分布と同様に電圧降下が低減されるに従って改善される。さらに、電気化学装置の熱伝導性も改善される。

電気化学装置は、少なくとも１つのワッシャをシリンドリカル状の電気化学セルアセンブリの端面にさらに備えており、ワッシャは、陽極材料シート又は陰極材料シートのタブを集めるための螺旋状スロットを備えている。螺旋状スロットをワッシャに設けることによって、従来技術に基づくタブ配置に適応させるためのワッシャと比較した場合に、端面のより大きい領域を覆うことができる。ワッシャは２つ以上の部品から形成されているので、タブが折り曲げられた場合に、ワッシャの部品が所定位置に保持される。

本発明をより良好に理解するために、及び本発明の動作原理をより明確に示すために、本発明について、以下の図面を参照しつつ例示的に説明する。

従来技術に基づく電気化学装置のためのシリンドリカル状アセンブリの斜視図である。 図１に表わすシリンドリカル状アセンブリの端面を表わす上面図である。 本発明における電気化学装置のためのシリンドリカル状アセンブリの斜視図である。 図３に表わすシリンドリカル状アセンブリの端面を表わす上面図である。 本発明における代替的なシリンドリカル状アセンブリの端面を表わす上面図である。 本発明における導電性材料シートの概略図である。 本発明における電気化学装置で利用するためのワッシャの概略図である。

図１及び図２は、従来技術の一部を形成しているゼリーロール型シリンドリカル状アセンブリの概略図である。シリンドリカル状アセンブリ１ａは、電気化学装置の一部を形成しており、複数のワインディング４ａによってシリンドリカル状のロールを形成するために巻回軸線３ａを中心として巻かれている導電性材料シート２ａを備えている。ワインディング４ａそれぞれが、タブ５ａを有している。巻回された場合に、タブ５ａは、巻かれた導電性材料シート２ａの（図２の上面図に表わす）頂面のセクタ６ａに集合する。タブ５ａは折り重ねられ、電気化学装置の一部に溶着される。

ワッシャ（電気化学装置の一部として図示しない）は、電気化学装置の一部を絶縁するために、ワインディングの頂部に載置されている。ワッシャは、導電性材料シートのセクタが組み付けられたタブ６ａのセクタを収容するように取り除かれた状態で、略円状となるように形成されている。

図３〜図５は、本発明におけるゼリーロール型シリンドリカル状アセンブリの概略図である。シリンドリカル状アセンブリ１は、電気化学装置の一部を形成している。図６及び図７は、電気化学装置の構成部品を表わし、特に図６は導電性材料シートを表わし、図７はワッシャを表わす。

図３及び図４は、複数のワインディング４によってシリンドリカル状のロールを提供するために巻回軸線３を中心として巻回されている、導電性材料シート２を具備するシリンドリカル状アセンブリ１を表わす。ワインディング４は、少なくとも１つのタブ５を有している。巻回された場合に、タブ５は、巻かれた導電性材料シート２の頂面（図４の上面図に表わす）に螺旋状に配置された状態で組み付けられている。タブ５は、巻かれた導電性材料シートを巻回軸線３に沿って見た場合に、タブ５それぞれの長さの一部が隣接するタブ５と重なり合うような大きさで離隔配置されている。このことは図３及び図４に表わされている。タブ５の高さＹ及び長さＺは、スパイラル６がシリンドリカル状アセンブリ１の外面に向かって延在するに従って増大する。タブ５は折り曲げられ、電気化学装置の一部に溶着されている。図５は、螺旋状に配置されたタブ５の異なる形態を具備する代替的なシリンドリカル状アセンブリ１００を表わす。図５では、タブが、巻回軸線３から放射された２つのスパイラルを形成するように配置されている。

図６は、導電性材料シート２の詳細図である。導電性材料シート２は、長手方向長さＬと長辺７とを有している。導電性材料シート２は、導電性材料シート２の一方の長辺７に沿って離隔配置されている複数のタブ５を備えている。隣接するタブ５の間隔は、導電性材料シート２の長手方向長さＬに沿った一方の向きにおいて増大している。図６に表わすように、長辺７に沿って左から右に見ると、第１のタブ８と第２のタブ９との間隔Ｘは、第２のタブ９と第３のタブ１０との間隔Ｘ′より小さい。さらに、第２のタブ９と第３のタブ１０との間隔Ｘ′は、第３のタブ１０と第４のタブ１１との間隔Ｘ″より小さい。タブ５同士の間の間隔Ｘ，Ｘ′，Ｘ″の増加は、巻回軸線３を中心として巻かれた場合に導電性材料シート２のタブ５がシリンドリカル状アセンブリ１の頂面に螺旋状に配置されるように計算される。

タブ５同士の間隔を導電性材料シート２の長手方向長さＬに沿って変化させることに加えて、タブ５自体の高さＹ及び長さＺの両方が変化している。特に、タブ５同士の間隔が増大するに従って、タブ５の高さＹ及び長さＺの両方が、長手方向長さＬに沿って増大している。言い換えれば、第１のタブ８は、その高さ及び長さについて、導電性材料シート２の長辺７に沿って隣接するタブ９及び他のすべてのタブ９，１０より小さい。タブ５同士の間隔、並びにタブ５の高さ及び長さは、導電性材料シート２が巻回軸線３を中心として巻回された場合に、タブ同士が十分に重なり合った状態でタブ５が規則的な螺旋状パターン６に配置されるように定められている。

シリンドリカル状アセンブリ１は、第２の導電性材料シート２を備えている。第２の導電性材料シート２は、集電体又は電極の形態とされる。２つの導電性材料シート２が巻回され、シリンドリカル状アセンブリ１に組み合された場合に、タブ５は両方の端面（すなわち頂面及び底面）に設けられる。両方のタブ５が、螺旋状パターン６で配置されている。

図７は、シリンドリカル状アセンブリ１の端面の上に載置されるワッシャ１２を表わす。ワッシャ１２は、導電性材料シート２が巻回軸線３を中心として巻回された場合にタブ５の螺旋状パターン６を収容可能とされる、螺旋状スロット１３を有している。タブ５は、ワッシャ１２が螺旋状パターン６の周りのシリンドリカル状アセンブリ１の端面に載置され、且つ、螺旋状パターン６の周りのシリンドリカル状アセンブリ１の端面に電力を供給する場合に、タブ５が外側のワインディング４から互いの頂面に折り畳まれるように配置されている。

シリンドリカル状アセンブリ１は、以下のように製造される。導電性材料シート２は、タブ５が長辺７に沿って維持されるように切断される。タブ５それぞれの長さ及び高さは、当該長さ及び高さが長辺７に沿って増大するように、且つ、タブ同士の間隔が導電性材料シート２の長手方向長さＬに沿って増大するように変化する。

切断された導電性材料シート２は、巻回軸線３を中心として巻かれる。タブ５は、導電性材料シート２が巻かれた場合に、タブ５が巻かれた導電性材料シート２の頂面の螺旋状パターン６に位置合わせされるように切断される。巻かれた導電性材料シート２は、例えば電極シートや電解質材料のような他の材料も含んでいる。一旦導電性材料シート２が巻かれると、ワッシャ１２が、タブ５が螺旋状スロット１３を通じて給電されるように、タブ５を具備する導電性材料シート２の端面に装着される。タブ５は、ワッシャ１２の上に折り畳まれ、エネルギ貯蔵装置の他の部分に溶着される。

１ シリンドリカル状アセンブリ
１ａ シリンドリカル状アセンブリ
２ 導電性材料シート
２ａ 導電性材料シート
３ 巻回軸線
３ａ 巻回軸線
４ ワインディング
４ａ ワインディング
５ タブ
５ａ タブ
６ 螺旋状パターン
６ａ タブ
７ （導電性材料シート２の）長辺
８ 第１のタブ
９ 第２のタブ
１０ 第３のタブ
１１ 第４のタブ
１２ ワッシャ
１３ 螺旋状スロット
Ｌ （導電性材料シート２の）長手方向長さ
Ｘ タブ５同士の間の間隔
Ｘ′ タブ５同士の間の間隔
Ｘ″ タブ５同士の間の間隔
Ｙ （タブ５の）高さ
Ｚ （タブ５の）長さ

Claims (20)

1. エネルギ貯蔵装置のための導電性材料シートであって、前記導電性材料シートが、前記導電性材料シートの長辺から延在している複数のタブを備えており、前記導電性材料シートが、複数のワインディングを形成するために、前記長辺に対して垂直な巻回軸線を中心として巻回可能とされる、前記導電性材料シートにおいて、
   前記タブが、前記導電性材料シートが前記巻回軸線を中心として巻回されている場合に前記タブが前記巻回軸線を中心として螺旋状に配置されるように、前記長辺に沿って離隔配置されていることを特徴とする導電性材料シート。
2. 前記タブが、巻回された前記導電性材料シートを前記巻回軸線に沿って見た場合に前記タブそれぞれの長さの一部が隣り合うタブと重なるように、前記長辺に沿って離隔配置されていることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料シート。
3. 前記タブが、前記導電性材料シートと一体化されていることを特徴とする請求項２に記載の導電性材料シート。
4. 前記長辺から離隔するように延在している前記タブそれぞれの、前記長辺に沿った長さが、前記タブ同士の間隔が大きくなるに従って大きくなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導電性材料シート。
5. 前記長辺から離隔するように延在している前記タブそれぞれの高さが、異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の導電性材料シート。
6. 前記長辺に沿った前記タブの高さが、前記タブ同士の間隔が大きくなるに従って大きくなることを特徴とする請求項５に記載の導電性材料シート。
7. 前記導電性材料シートが巻回された場合に、前記タブのスパイラルが、最も小さい長さ及び／又は高さを有するタブが前記巻回軸線に最も近接するように、外方に延在していることを特徴とする請求項４又は６に記載の導電性材料シート。
8. 前記導電性材料シートが前記巻回軸線を中心として巻回された場合に、前記タブが、前記巻回軸線を中心とする２つ以上のスパイラルに配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の導電性材料シート。
9. 容器と陰極材料シートと陽極材料シートとセパレータ材料とを備えている電気化学エネルギ貯蔵装置であって、前記陰極材料シートと前記陽極材料シートとが、湾曲した側壁及び２つの端面を有するシリンドリカル状の電気化学セルアセンブリを提供するために、前記容器の内部において巻回軸線を中心として巻回されている、前記電気化学エネルギ貯蔵装置において、
   前記陰極材料シート及び前記陽極材料シートのうち少なくとも１つの材料シートが、シリンドリカル状の前記電気化学セルアセンブリの一方の端面から延在している、複数のタブを有しており、
   前記タブが、前記巻回軸線を中心とする螺旋状に前記端面に配置されていることを特徴とする電気化学エネルギ貯蔵装置。
10. 前記タブが、シリンドリカル状の前記電気化学セルアセンブリの前記端面を前記巻回軸線に沿って見ると前記タブそれぞれの長さの一部が隣り合うタブと重なるように、前記陰極材料シート又は前記陽極材料シートに沿って配置されていることを特徴とする請求項９に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
11. 前記タブが、前記陰極材料シート及び前記陽極材料シートのうち少なくとも１つの材料シートに一体化されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
12. 前記タブそれぞれの、長辺に沿った長さが、前記タブ同士の間隔が大きくなるに従って大きくなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
13. 前記端面から離隔するように延在している前記タブそれぞれの高さが、異なることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
14. 前記タブの、長辺に沿った高さが、前記タブ同士の間隔が大きくなるに従って大きくなることを特徴とする請求項１３に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
15. 前記タブの高さ及び長さが、前記端面の中心からスパイラルの周りに大きくなり、これにより最も小さい長さ及び高さを有するタブが、前記巻回軸線に最も近接していることを特徴とする請求項１４に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
16. 前記陰極材料シートと前記陽極材料シートとの両方が、複数のタブを備えていることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
17. 前記陰極材料シートの前記タブが、一方の端面に配置されており、
    前記陽極材料シートの前記タブが、他方の端面に配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
18. 前記陰極材料シート及び／又は前記陽極材料シートの前記タブが、前記巻回軸線を中心とする２つ以上のスパイラルに配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
19. 前記電気化学エネルギ貯蔵装置が、少なくとも１つのワッシャをシリンドリカル状の前記電気化学セルアセンブリの端面に備えており、
    前記ワッシャが、前記陰極材料シート又は前記陽極材料シートの前記タブを集合させるための螺旋状スロットを備えていることを特徴とする請求項９〜１７のいずれか一項に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。
20. 少なくとも１つの前記ワッシャが、２つ以上の部品から形成されており、
    前記タブが折り曲げられた場合に、前記ワッシャの前記部品が所定の位置に保持されることを特徴とする請求項１９に記載の電気化学エネルギ貯蔵装置。

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