JP2021099998A - 電気化学セルスタックのためのクランプ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極が変形することを防止すること。【解決手段】電気化学セルスタックのためのクランプ装置が提供される。クランプ装置は、第1プレート及び第2プレートを含んでいる。第2プレートは、第1プレートと第2プレートとの間の空間が電気化学セルスタックを収容するサイズとされるように第1プレートに対して位置決め可能である。また、装置は、第1プレートを前記第2プレートに結合させる結合部材を含んでいる。第1プレート及び第2プレートの少なくとも一方が、他方のプレートから離れるように移動可能である。結合部材が、第1終端部分及び第2終端部分を有している。装置は、第1終端部分と第2終端部分との間に配置された弾性部材をさらに含んでいる。【選択図】図2
Description
本開示は、全体としてクランプ装置に関する。特に、本開示は、電気化学セルスタックのためのクランプ装置に関する。
リチウムイオンバッテリーは、概して、アノードとカソードとの間にセパレータ及び/又は電解質を含んでいる。バッテリーのいくつかでは、セパレータ、カソード及びアノード材料は、個々に、シート又はフィルムに形成される。その後、カソード、セパレータ及びアノードのシートは、セパレータがカソードとアノード(例えば電極)とを分離して積み重ねられるか又は巻かれ、これによりバッテリーを形成する。カソード、セパレータ及びアノードが巻かれるために、各シートは、クラックのような故障、破損、機械的故障などがなく巻かれるために、十分に変形可能であるか又は可撓性を有しなければならない。代表的な電極は、導電性金属(例えばアルミニウム及び銅)上に電気化学的活物質層を含んでいる。例えば、炭素は、不活性バインダー材料とともに電流コレクタ(例えば銅シート)上に堆積される。炭素は、優れた電気化学的特性を有し且つ導電性も有するので、しばしば使用される。電極は、巻かれるか、又はピースに切断され、ピースは、その後、スタックに重ねられる。スタックは、電気化学的活物質の間のセパレータと交互の電気化学的活物質からなる。
リチウムイオンバッテリーの体積及び質量エネルギー密度を増大させるために、シリコンが、負極のための活物質として提案されてきた。しかしながら、サイクル中に、アノード活物質中のシリコン粒子は、充電時に膨張する。この膨張は、電流コレクタとして使用される金属箔を変形させる可能性がある。セルスタックの層が狭い領域に閉じ込められているので、膨張は、金属箔のゆがみ又は変形をもたらし、従ってバッテリースタックにおける層の間の接触面積を減少させる可能性がある。結果として、バッテリーが電荷を受容し且つ解放する能力は、大幅に影響を与えられるかもしれない。従って、電極が変形することを防止することが、不可逆容量を減少させ且つサイクル寿命を向上させることに役立つ。
ある実施形態では、電気化学セルスタックのためのクランプ装置が提供される。クランプ装置は、第1プレートと、第1プレートと第2プレートとの間の空間が電気化学セルスタックを収容するサイズとされるように第1プレートに対して位置決め可能な第2プレートと、を含むことができる。また、クランプ装置は、第1プレートを第2プレートに結合させる結合部材を含むことができる。第1プレート及び第2プレートの少なくとも一方が、他方のプレートから離れるように移動可能である。また、結合部材が、第1終端部分及び第2終端部分を有することができる。さらに、クランプ装置は、第1終端部分と第2終端部分との間に配置された弾性部材を含むことができる。
いくつかの実施形態では、第1プレートと第2プレートとの間の距離の変化が、電気化学セルスタックの膨張と相関する。結合部材の第1終端部分及び第2終端部分の少なくとも一方が、電気化学セルスタックに付与される圧力を設定するように構成されることができる。また、クランプ装置は、充電時に電気化学セルスタック内の電極の変形を減少させるように構成されることができる。さらに、弾性部材が、電気化学セルスタックの充電中に圧縮されるように構成され、それにより、第1プレート及び第2プレートによって与えられる電気化学セルスタックへの圧力の増大を減少させることができる。圧力の増大を減少させることが、電気化学セルスタックに実質的に一定の圧力をもたらすことができる。
いくつかの実施形態では、弾性部材が、電気化学セルスタックの充電中に圧縮されるように構成され、それにより、電気化学セルスタックの膨張に起因する電気化学セルスタックへの圧力の変化を減少させる。弾性部材が、バネ、プランジャ、弾性バンド、空気圧式ピストン又は発泡体を含むことができる。結合部材が、留め具、バネクランプ又はC−クランプを含むことができる。第1終端部分又は第2終端部分の少なくとも一方が、複数のナット又は複数の留め具ヘッドを備えることができる。
さらなる実施形態では、電気化学セルスタック内の電極の変形を減少させる方法が提供される。方法は、第1プレートと第2プレートとの間に電気化学セルスタックを位置決めするステップと、電気化学セルスタックに付与される圧力を設定するために、結合部材の終端部分を調節するステップと、を含む。
いくつかの実施形態では、方法は、電気化学セルスタックを充電するステップを含むことができる。また、電気化学セルスタックが、初めて電気化学セルスタックを充電する前に、第1プレートと第2プレートとの間に位置決めされることができる。方法は、セル形成又はセル予処理の後に、電気化学セルスタックを取り除くステップをさらに含むことができる。
再充電可能なリチウムイオンセルで現在使用されているアノード電極は、概して、1グラム当たりおよそ200ミリアンペア時の特別な容量を有している(金属箔電流コレクタ、導電性添加剤及びバインダー材料を含む)。ほとんどのリチウムイオンバッテリーアノードで使用されている活物質であるグラファイトは、1グラム当たり372ミリアンペア時(mAh/g)の理論的エネルギー密度を有している。比較すると、シリコンは、4200mAh/gの高い理論的容量を有している。しかしながら、シリコンは、リチウム挿入時に300%を超えて膨張する。この膨張の理由から、シリコンを含むアノードは、シリコン粒子の間の電気的接触を維持する一方で膨張が可能とされるべきである。しかしながら、電気化学セルスタックが膨張するときに、膨張は均一ではなく、セルスタックの厚さの変化及び変形をもたらす。
この開示は、充電時にセルスタック内で膨張する電極の変形を減少させるように構成された電気化学セルスタックのためのクランプ装置のある実施形態を説明する。セルスタックは、グラファイト、シリコンベースの、スズベースの又は他の合金ベースの電極を含むことができる。例えば、クランプ装置は、第1プレート及び第2プレートを備えることができる。第2プレートは、第1プレートと第2プレートとの間の空間が電気化学セルスタックを収容するサイズとされるように、第1プレートに対して位置決め可能である。また、クランプ装置は、第1プレートを第2プレートに結合する結合部材を備えることができる。第1プレート及び第2プレートの少なくとも一方は、他方のプレートから離れるように移動可能である。例えば、第1プレート及び第2プレートの少なくとも一方は、結合部材周りで移動可能である。
第1プレート及び第2プレートの少なくとも一方が他方のプレートから離れるように移動可能でなかった場合、第1プレート及び第2プレートは、充電中のセルスタックの膨張時にセルスタックに、増大する圧力を与える可能性がある。放置されたままとされると、十分に高い圧力に達した場合、セルスタックが損傷し、例えばセルスタックをショートさせる。しかしながら、ある実施形態では、第1プレート及び第2プレートの少なくとも一方が他方のプレートから離れるように移動可能であるので、第1プレート及び第2プレートによってセルスタックに与えられる圧力のいくらかは軽減され、また制御されることができる。
例えば、いくつかの実施形態では、第1プレート及び第2プレートの一方のみが、セルスタックが膨張するときに移動可能である。他の実施形態では、双方のプレートが、セルスタックが膨張するときに移動可能である。第1プレートと第2プレートとの間の距離の変化は、セルスタックの膨張と相関する。
いくつかの実施形態では、結合部材は、第1終端部分及び第2終端部分を有している。クランプ装置は、第1終端部分と第2終端部分との間に配置された弾性部材をさらに含んでいる。結合部材の第1終端部分及び第2終端部分の少なくとも一方は、セルスタックに付与される圧力を設定するように構成される。例えば、弾性部材は、セルスタックの充電中に圧縮されるように構成される。弾性部材が圧縮されると、第1プレート及び第2プレートによって与えられるセルスタックへの圧力の増大が、減少されることができる。いくつかの例では、第1プレート及び第2プレートによる圧力の減少された増大は、セルスタックへの圧力の若干の変化(又は実質的に一定の圧力)をもたらし、それにより、不均一な膨張に起因するセルスタックの厚さの変化及び/又は変形を減少させる。
本明細書で説明されるように、クランプ装置のある実施形態は、第1プレート及び第2プレートを含んでいる。いくつかの実施形態では、第1プレートは、第2プレートと実質的に同じ材料から製造することができる。他の実施形態では、第1プレートは、第2プレートと異なる材料から製造することができる。材料は、金属(例えばカーボンスチール又はアルミニウム)及び/又はポリマー(例えばポリプロピレン又はエポキシ)を含むことができる。また、材料は、絶縁材を含むことができる。第1プレート及び第2プレートの少なくとも一方の断面形状は、正方形、矩形、円形、卵形又は多角形(例えば五角形、六角形、八角形など)であってもよい。第2プレートは、第1プレートと第2プレートとの間に空間があるように第1プレートに対して位置決めすることが可能である。空間が、電気化学セルスタックを収容するサイズとされるので、第1プレート及び第2プレートの寸法は、第1プレートと第2プレートとの間にセルスタックを収納することができるようなサイズとされて成形されている。従って、第1プレート及び第2プレートの寸法は、セルスタックのサイズ及び形状に依存する。さらに、第1プレート及び第2プレートの厚さは、セルスタックの充電時に第1プレート及び第2プレートの曲げを減少させるようなサイズとされてもよい。例えば、第1プレート及び第2プレートの厚さは、約0.5cmから約0.8cmの間、例えば約0.6cm、約0.65cm又は約0.7cmであってもよい。いくつかの実施形態では、第1プレートの形状及び寸法は、第2プレートの形状及び寸法と実質的に同じであってもよい。他の実施形態では、第1プレートの形状及び寸法は、第2プレートの形状及び寸法と異なっていてもよい。
いくつかの実施形態では、第1プレートと第2プレートとの間の空間は、1つよりも多いセルスタックを収容するようなサイズとされている。例えば、複数のセルスタックが並んで配置されるか、又は第1プレートと第2プレートとの間で互いの頂部上に積み重ねられてもよい。このような実施形態では、多数のセルスタックが、同じクランプ装置(例えば、セルスタックに、類似するか又は実質的に同じ設定圧力を維持するための同じ弾性部材)を利用することができる。さらに、クランプ装置は、第1プレート及び第2プレートよりも多いプレート、例えば互いの頂部上に積み重ねられる多数のプレートを含んでもよい。2つのプレートの間の空間は、少なくとも1つのセルスタックをそれぞれ収容するようなサイズとされることができる。このような実施形態では、いくつかのセルスタックは、同じ弾性部材を利用することができる。従って、複数のセルスタックが、追加的なプレート及び/又はスペーサを有して又は有することなく、第1プレートと第2プレートとの間に配置されてもよい。
いくつかの実施形態では、結合部材が、第1プレート及び/又は第2プレートにおける孔を通って延在している。例えば、結合部材は、第1プレートと第2プレートとを結合することができる長手方向の長さを有する任意の延在構造体である。いくつかの実施形態では、結合部材は、第1プレート又は第2プレート内に固定されるか又は取り付けられてもよい。例えば、結合部材は、一端が第1プレート又は第2プレートに固定された柱/ロッドであるか、又は結合部材は、第1プレート又は第2プレート内に直接螺合されたネジ部分を有するネジ又は柱である。他の実施形態では、結合部材は、第1プレートの第1孔及び第2プレートの第2孔を通って延在している。いくつかの実施形態では、結合部材は、留め具、例えばネジ、ボルト又はロッド/柱である。いくつかの実施形態では、ロッド/柱は、ネジ部分又は凹凸部分を含むか又は含まなくてもよい。他の実施形態では、結合部材は、クランプ、例えばC−クランプを備えている。いくつかの実施形態では、クランプ装置は、1つ以上の結合部材を備えている。
いくつかの実施形態では、第1終端部分及び第2終端部分は、独立して、ナット、ヘッド(例えばネジヘッド、ボルトヘッド又は同等のもの)、柱クランプ、プレート(例えば第1プレートもしくは第2プレート又は追加的な第3プレート)又はC−クランプのパーツである。また、第1終端部分及び第2終端部分は、可動プレートが結合部材から結合解除されることを防止するように構成されている。いくつかの実施形態では、第1終端部分及び第2終端部分は、第1プレートと第2プレートとの間のセルスタックに付与される圧力を設定するように構成されている。例えば、設定圧力は、セルスタックの不均一な厚さの変化を補償することを支援することを考慮する。複数の結合部材が使用される実施形態では、1つの結合部材によって設定される圧力は、別の結合部材によって設定される圧力と異なることができる。
クランプ装置は、第1終端部分と第2終端部分との間に配置された弾性部材をさらに備えることができる。弾性部材は、第1プレートと第1終端部分との間、第2プレートと第2終端部分との間、又は第1プレートと第2プレートとの間に配置されてもよい。弾性部材は、バネ定数を有し、且つ伸張部材又は圧縮部材であってもよい。弾性部材が第1プレートと第1終端部分との間及び/又は第2プレートと第2終端部分との間に配置されているいくつかの実施形態では、弾性部材は、第1プレート又は第2プレートを第1終端部分又は第2終端部分それぞれから離すように押圧するように構成された圧縮部材である。弾性部材が第1プレートと第2プレートとの間に配置されるいくつかの実施形態では、弾性部材は、伸張部材であり、伸張部材は、第1プレート及び第2プレートを互いに向かって引くか、又は第1プレート及び第2プレートを互いに向かって押し付けさせるために2つのプレートに力を与えるように構成されている。いくつかの実施形態では、弾性部材は、バネ(伸張バネ及び圧縮バネを含む)、プランジャ、弾性バンド、空気圧式ピストン又は発泡体を含んでもよい。いくつかの実施形態では、弾性バンド(例えばゴムバンド)は、第1プレート及び第2プレートの周囲に配置される。弾性バンドは、第1プレート及び第2プレートの少なくとも一方が、電気化学セルスタックの膨張時に他方のプレートから離れるように移動することを可能にするように構成されている。第1プレート又は第2プレートの少なくとも一方は、セルスタックに付与される圧力を設定するために弾性バンドを圧縮するように構成することができる。
別の実施形態では、終端部分は、2つのプレートを互いに対して一定距離で保持するC−クランプのパーツを含むことができる。第3プレート及び弾性部材は、2つの固定されたプレートの間に挿入することができる。
図1は、本明細書で説明されるある実施形態に従った例示的なクランプ装置の写真である。図2は、サイクル中にセルスタックを閉じ込めてセルスタックに圧力を与えるために使用される、図1に示される例示的なクランプ装置の概略図である。クランプ装置200は、第1プレート210及び第2プレート220を含んでいる。第2プレート220は、第1プレート210と第2プレート220との間の空間230が電気化学セルスタック240を収容するサイズとされるように、第1プレート210に対して位置決め可能である。また、クランプ装置200は、第1プレート210を第2プレート220に結合する結合部材250(例えばネジボルト)を含んでいる。第1プレート210及び第2プレート220の少なくとも一方は、他方のプレートから離れるように移動可能である。例えば、第2プレート220は、セルスタック240が膨張するときに結合部材250に沿って上方に移動することができる。いくつかの実施形態では、第1プレート210は、結合部材250周りで移動可能であってもよい。例えば、第1プレート210は、セルスタック240が膨張するときに結合部材250に沿って下方に移動してもよい。
結合部材250は、(符号255と反対の終端部分に)第1終端部分及び第2終端部分255(例えばボルトヘッド)を有している。クランプ装置200は、第1終端部分と第2終端部分255との間に配置された弾性部材260(例えばバネ)をさらに含んでいる。サイクル時にセルスタック240がクランプ装置200内で膨張するときに、弾性部材260は、第2プレート220が結合部材250に沿って第1プレート210に対して所定距離に移動することを可能にする。第1プレート210と第2プレート220との間の距離の変化は、セルスタック240の膨張と相関する。
クランプ装置200の第2終端部分255は、弾性部材260を圧縮するように構成されている。従って、結合部材250の第2終端部分255は、例えばボルトヘッドを締めること又は緩めることによって、セルスタック240に付与される圧力を設定するように構成されている。図2に示される例示的なクランプ装置200では、結合部材250は、4つのボルト255を備えている。各ボルト255は、独立して締められるか又は緩めることができる。従って、各弾性部材260は、セルスタック240に付与される圧力を設定するために独立して圧縮され、これにより、例えば、第1プレート210及び第2プレート220によって与えられるセルスタック240に付与される圧力の増大を減少させ、且つ/又はセルスタック240の膨張に起因するセルスタック240への圧力の変化を減少させる。
膨張時の厚さの変化を考慮する圧力を付与することによって、より安定した電気化学的挙動が生じる。いくつかの実施形態では、圧力の変化は、付与される圧力が若干変化するか又は実質的に一定であるように減少される。図5は、本明細書で説明されるある実施形態のクランプ装置内に設置された電気化学セルスタック内で反っていないアノードの写真である。
さまざまな実施形態では、図2の例示的な実施形態で示されるように、結合部材250は、複数の結合部材を含むことができる。例えば、結合部材250は、少なくとも第2プレート220のコーナーにおいて孔215を通って延在する4つのネジボルト251を含んでいる。第1プレート210はネジ山が付けられ、結合部材250は第1プレート210内に直接進んでもよい。いくつかの実施形態では、ボルトは、第1プレート210よりも下に配置されてもよい。第1プレート210は、結合部材250上で移動可能であってもよい。本明細書で説明されるように、他の結合部材250が考えられてもよい。
さらに、図1及び図2に示されるクランプ装置200は、第1プレート210のコーナーに配置され且つ第2プレート220の孔を通って延在する4つの個別の結合部材250を含んでいるが、結合部材250は、第1プレート210及び第2プレート220の任意の場所の周囲に配置された(例えば必ずしもコーナーではない)、4つよりも少ない(例えば3つ、2つ又は1つの)結合部材又は4つよりも多い(例えば5つ、6つ、7つ、8つなどの)結合部材を含むことができる。一例として、追加的な結合部材250が、第1プレート210及び第2プレート220のコーナー内に加えて又はコーナー内の代わりに、第1プレート210及び第2プレート220の1つ以上の縁部に沿って配置されてもよい。他の実施形態では、4つよりも少ない結合部材250、例えば2つの結合部材250が互いから反対側に配置されている。このようないくつかの実施形態では、結合部材250は、第1プレート210及び第2プレート220の寸法(例えば長さ)と実質的に類似する寸法(例えば幅又は主要軸)を有してもよい。さまざまな構成が可能である。
図1及び図2は、複数のバネを備える弾性部材260を示している。バネは、第1終端部分と第2終端部分との間に配置されている。また、この例では、バネは、第2終端部分255(例えばボルトヘッド)と第2プレート220との間に配置されている。サイクル中にセルスタック240がクランプ装置200内で膨張するときに、バネは、第2プレート220が結合部材250(例えばボルト)に沿って(セルスタック240の膨張と相関する)所定距離移動することを可能にする。ボルトヘッドは、バネを圧縮するように構成することができる。例えば、バネへの力の荷重は、ボルトヘッドを締めること又は緩めることによってセルスタック240に付与される圧力を設定するために調節することができる。いくつかの実施形態では、ボルトヘッドは、バネが所望の長さに達するまで締められ、これは、セルスタック240に付与される圧力と相関する。弾性部材260を圧縮することによって、第1プレート210に対する第2プレート220の位置も調節されることができる。ある実施形態では、付与される圧力は、2つ以上の結合部材250に対して異なっている。また、第1プレート210に対する第2プレート220の調節された位置は、膨張前と同じ位置である必要はない。いくつかの実施形態では、各バネの長さは、例えば安定性を増大させるためにノギスにより測定される。
本明細書で説明されるように、第1プレート210及び第2プレート220によって与えられるセルスタック240への圧力の増大は、調節することができる。いくつかの実施形態では、圧力の減少された増大は、セルスタック240に付与される圧力が若干変化するか又は実質的に一定であることをもたらす。いくつかの実施形態では、付与される圧力が極めて高い(例えば約400psiよりも大きい)場合、電解質が、セルスタック240から押し出される可能性がある。また、セルスタック240のショートを含むさらなる損傷がセルスタック240の構成要素に発生する可能性がある。逆に、いくつかの実施形態では、付与される圧力が極めて低い(あるパウチセルに対して約10psiから40psiの間の圧力よりも小さい)場合、電流コレクタの反りが抑制されず、電流コレクタの電極箔が変形する可能性がある。さまざまな実施形態では、セルスタック240に付与される圧力は、約10psiから約400psiの間、約20psiから約400psiの間、約30psiから約400psiの間、約40psiから約300psiの間、約50psiから約300psiの間、約60psiから約300psiの間、約70psiから約300psiの間、約80psiから約300psiの間、約90psiから約300psiの間又は約100psiから約200psiの間である。
また、ある実施形態に従ったクランプ装置200は、第1プレート210と第2プレート220との間に界面材料(図示せず)を含むことができる。例えば、界面材料は、セルスタック240と、第1プレート210及び第2プレート220の少なくとも一方と、の間に設置されることができる。界面材料は、セルスタック240の表面に一致し、且つポリエチレンシート、ポリプロピレンシート、PTFEシート、紙、板紙、天然ゴム、シリコンゴム、発泡体又はフェルトから製造することができる。界面材料は、より均等に圧力を広げることを支援することができる。さらに、界面材料は、セルスタックの最も厚い部分で圧縮する弾性部材260の力によって引き起こされる損傷を減少させ、且つ/又は実質的に取り除くことができる。また、この界面材料は、さらなる調節が、サイクル中に不均一な圧力をもたらすセル厚さの変化を考慮することを可能にする。
付与される圧力調節を可能にするクランプ装置(すなわち調節可能なクランプ装置)の利点は、調節可能なクランプ装置内でサイクルされた電気化学セルを、一定間隙型クランプ装置内でサイクルされたセルと比較することで分かる。一定間隙型クランプ装置が使用されると、セルスタックは一定空間内に閉じ込められる。セルスタックがサイクル中に膨張するので、セルスタックに与えられる力/圧力は、膨張が増大するとともに急速に増大する。サイクル中の膨張は、概して、均一ではなく、セルスタックの厚さ変化をもたらし、このことは、セルスタックに与えられる不均一な圧力をもたらす。例えば、一定間隙型クランプ装置でサイクルするセルのグループは、それらの放電能力が約12%の標準偏差であった一方で、本明細書で説明されるある実施形態に従ったクランプ装置200でサイクルするセルのグループは、それらの放電能力が約3%の標準偏差であった。
調節可能なクランプ内でのサイクル中のセル膨張の関数としてのセルへの力(従って付与される圧力)は、一定間隙型クランプと比較することができる。図3Aは、一定間隙型クランプ装置内でのセル膨張の関数としての電気化学セルスタックへの力のプロットである。図3Aに示されるように、セルスタックがサイクル中に膨張すると、クランプ装置によってセルスタックに与えられる力(従って圧力)は、膨張時に急速に増大する(顕著に変化する)。例示された実施形態では、力の増大は、線形ではなく、実質的に指数関数的である。セルの部分への高圧力は、セルを損傷させ、故障、例えばセルのショート及び/又は破裂を引き起こす可能性がある。
図3Bは、調節可能なクランプ装置内でのセル膨張の関数としての電気化学セルスタックへの力のプロットを示している。セルが充電中に膨張すると、セルスタックに与えられる力の増大は、一定間隙型クランプ装置内でのセルと比較すると、非常によりゆっくりである(若干変化する)。いくつかの実施形態では、力の増大は、緩やかな傾斜を有するが、実質的に線形である。他の実施形態では、セルスタックへの力は、セル膨張中に実質的に一定である。
本明細書で説明されるように、2つのプレートによってセルスタック240に付与される圧力の増大を減少させることは、セルスタック240に付与される圧力が、膨張時にセルスタック240の厚さ変化を考慮することをもたらす。いくつかの例では、セルスタック240に付与される圧力の増大は、付与される圧力がセル膨張時に若干変化するか又は実質的に一定となるように減少させることができる。付与される圧力の増大の減少は、より安定した電気化学的挙動をもたらすことができる。
本明細書で説明されるように、クランプ装置200のさまざまな実施形態が、第1プレート210及び第2プレート220によって与えられる増大を減少/停滞させることによって、且つ/又はセルスタック240の膨張に起因する付与される圧力の変化を減少させることによって、電極又は電流コレクタ箔の反り及び変形の量を減少させる。図4から分かるように、銅箔は、セルスタックのサイクルの後に、皺が作られるか又は変形させられる。銅箔の皺又は変形の量は、図5から分かるように、セルスタックがクランプ装置200内でサイクルさせられると、大いに最小化させられる。さらに、ある実施形態のクランプ装置200は、実質的にセルスタック240のサイクル寿命に影響を与えることなく、セルスタック240に装着したままとすることができる。ある実施形態は、シリコンベースの電極を含む電気化学セルと、グラファイト電気化学セルと、にテストされた。
図6は、電気化学セルスタック内での電極又は電流コレクタの変形を減少させる例示的な方法を説明する。例示的な方法300では、ブロック310で示されるように、方法300はクランプ装置200を提供するステップを含む。クランプ装置200は、図1及び図2に示され且つ本明細書で説明されたクランプ装置200である。また、方法300は、第1プレート210と第2プレート220との間に電気化学セルスタック240を位置決めするステップを含む。さらに、方法300は、電気化学セルスタック240に付与される圧力を設定するために結合部材250の終端部分255を調節するステップを含むことができる。一例として、電気化学セルスタック240に付与される圧力は、セルスタック240の充電中に不均一な厚さ変化を補償することを支援するために設定されることができる。結果として、電流コレクタの反り及び変形の量は、減少させられることができる。例えば図5を参照。
いくつかの方法では、クランプ装置200を使用するタイミングが重要である。例えば、電極又は電流コレクタ箔変形を減少させるために、セルスタック240は、(例えば形成充電としても公知な)最初の充電が生じる前にクランプされてもよい。クランプ装置200が、最初の形成充電が生じた後に初めて使用されると、電流コレクタ箔は、不可逆的に変形される可能性がある(例えばその初期の形状に戻せない可能性がある)。従って、ある実施形態では、方法300は、初めてセルスタック240を充電する前に、第1プレート210と第2プレート220との間にセルスタック240を位置決めするステップをさらに含んでいる。
(例えばセルがその寿命にわたって良好に機能することを支援するために)セルを組み立てた後にセルが処理されると、セル形成が生じる。何度も、セル形成は、セルの最初の充電に言及する。いくつかの例では、セル形成手順は、より複雑とすることができる。例えば、セル形成が、C/20の比率でセルを充電することと、C/2の比率で充電によって3回セルをサイクルすることと、電流がC/20に落ちるまで充電電圧(例えば4.2V)で電圧を保持することと、その後、C/5の比率で放電することと、を含むことができる。これらのタイプの手順は、本明細書で説明されたある実施形態によりセルがクランプされる間に、なされることができる。良好なポリマー接着技術によるパウチ又はカンセルに対しては、クランプ装置は、セルの予処理が終了した後に取り除くことができる。十分なポリマー接着技術のないパウチ又はカンセルに対しては、クランプ装置は、セル上にとどまり、例えば、付与される圧力は、予処理中のものと同じであるか、又は減少されてもよい。クランプ装置を取り除く前に行われてもよい他のセル予処理状態が、加熱、押圧並びに/又は加熱及び押圧を含む、セルへの処理を含む。
いくつかの実施形態では、第1プレート210と第2プレート220との間にセルスタック240を位置決めするステップは、シリコンを有する電極を含むセルスタック240を位置決めするステップを含むことができる。他の実施形態では、第1プレート210と第2プレート220との間にセルスタック240を位置決めするステップは、グラファイトを有する電極を含むセルスタック240を位置決めするステップを含むことができる。追加的に、クランプ装置200ごとに1つよりも多いセルスタック240を含むことが可能である。例えば、1つよりも多いセルスタック240は、セルスタック240への圧力が維持されるのであれば、並んで又は多数の層で配置されることができる。従って、第1プレート210と第2プレート220との間にセルスタック240を位置決めするステップは、第1プレート210と第2プレート220との間に第2セルスタックを位置決めするステップを含むことができる。
さまざまな実施形態が上述された。本発明が、これらの特別な実施形態を参照して説明されたが、説明は、実例となるよう意図されており、限定するものと意図されていない。さまざまな修正及び利用が、添付の特許請求の範囲において規定される本発明の精神及び権利範囲から逸脱することなく当業者には想起されるであろう。
200 クランプ装置、210 第1プレート、220 第2プレート、230 空間、240 電気化学セルスタック、250 結合部材、255 第2終端部分、260 弾性部材
Claims (11)
- 電気化学セルスタックを形成する方法であって、
クランプ装置を提供するステップと、
前記クランプ装置の第1プレートと第2プレートとの間に前記電気化学セルスタックを位置決めするステップと、
前記電気化学セルスタックと前記第1プレート及び前記第2プレートの少なくとも一方との間に界面材料を提供するステップであって、前記界面材料が、前記電気化学セルスタックにおける前記第1プレート及び前記第2プレートの前記少なくとも一方と対向する面全体に提供される、ステップと、
前記電気化学セルスタックに付与される圧力を設定するために、前記クランプ装置の前記第1プレート及び前記第2プレートを結合する結合部材の終端部分を調節するステップと、
前記電気化学セルスタックの膨張時に、前記第1プレート及び前記第2プレートの少なくとも一方が他方のプレートから離れるように移動することを可能にするステップと、
セル形成又はセル予処理の後に、前記電気化学セルスタックから前記クランプ装置を取り除くステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記電気化学セルスタックを充電するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記電気化学セルスタックが、初めて前記電気化学セルスタックを充電する前に、前記第1プレートと前記第2プレートとの間に位置決めされることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記電気化学セルスタックを位置決めするステップが、前記第1プレートと前記第2プレートとの間に第2電気化学セルスタックを位置決めするステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記界面材料が、前記電気化学セルスタックの表面に一致するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記付与される圧力が、10psiから400psiの間であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記付与される圧力が、40psiから300psiの間であることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記付与される圧力が、90psiから300psiの間であることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 前記付与される圧力が、100psiから200psiの間であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記電気化学セルスタックが、シリコンを含むアノードを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記電気化学セルスタックが、グラファイトを含むアノードを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
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