JP2023506817A - 三次元電極構造の電気化学セル - Google Patents

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Abstract

本発明は、電気化学セル（１０）が、負極（６０）のための集電体を形成するように銅の層（１５）によって少なくとも部分的に内面が覆われた容器（１４）と上側カバー（１８）とを備え、三次元正極（＋）構造を収納し固体電解質を含有するケーシング（１２）を備えること、および、三次元正極構造が、それぞれが鉛直棒（５０）である一連の正極（５０）を備えることを特徴とする、電気的な電気化学セル（１０）に関する。【選択図】図６

Description

本発明は、三次元電極構造の電気化学セルに関する。
本発明は、詳細には、三次元電極構造および固体電解質の電気化学セルに関する。
電池および／または蓄電池とも呼ばれるバッテリシステムは、材料、電極、セル、モジュール、パックなど、様々なスケールの様々な要素またはサブアセンブリからなる。
ある規模から別の規模への移行は、パッケージング、電気接続部品などの追加により、体積および質量の損失を引き起こし、これはシステムの電気エネルギー蓄積質量容量（システムのエネルギー密度ともいう）に直接的に影響を及ぼす。
電極層とセパレータを積層することを含むその組み立て方法によって、セルのサイズは制限される。電極は薄く、層の数は、特に位置合わせの問題を考慮に入れ対処する必要があるので、制限されたままである。
実際、層の数が多くなるほど位置合わせが損なわれるリスクもより増加し、それがセルの寸法（厚さ、長さ、幅）を制限する。
対処されるべき技術的な問題は、セルの体積を増加させることができるかということに関連し、これは従来のセルの形成および組立方法に左右される。セルの体積を増加させることによって、非活物質のいくらかを除去することによるパックの充填率の向上が可能になり、セルの数の減少が可能になる。
文献ＥＰ－Ａ１－３．１５７．０９０では、入れ子状に介在させた電極からなる三次元構造を含むセルがすでに提案されている。
そのような設計によって、いくつかの負極と正極が単一のステップで同時に収められ得る。しかし、電極は、平坦であり、従来の被覆技術を用いて得られる。電極のサイズのスケールは小さいままであり、結果的に電極を位置合わせするときの障害のリスクがもたらされる。
加えて、電極は、挿入の際に誤接触のリスクを伴いつつ利用可能な空間内を正確に埋めなければならないので、電極の正確な寸法設計が重要である。電極の厚さの均等性は重要であるが保証することは困難である。
本発明の目的は、上述の欠点を克服する三次元電極構造の電気化学セルの新しい設計を提案することである。
本発明は、ケーシングを備える電気化学セルにおいて、該ケーシングが、
第１の極性の第１の電極の集電体を形成するように導電性材料の層によって少なくとも部分的に内面が覆われた容器の形態の、下側の第１の要素を備え、
容器を閉じるためのカバーの形態の、上側の第２の要素を備え、
第１の電気的極性の三次元電極構造を収納し、
第１の電気的極性と反対であり第１の極性の三次元電極構造の中に収められた第２の電気的極性の三次元電極構造を収納し、
イオン導電性媒体として電解質を含有すること、および、
第２の極性の三次元電極構造が、それぞれが鉛直方向の細長本体である一連の第２の極性の電極を備えること
を特徴とする、電気化学セルを提案する。
本発明の他の特徴によれば、
第２の極性の電極が、規則的なパターンでケーシング内部に分布しており、
容器が、導電性材料の前記層に電気的に接続された一連の第１の極性の導電性要素を収納しており、一連の第１の極性の導電性要素のそれぞれが鉛直方向に細長い要素であり、
第１の極性の導電性要素が、規則的なパターンでケーシング内部に分布し、
第１の極性の導電性要素が、第２の極性の電極同士の間に等距離に分布し、
各第２の極性の電極が、導電性材料から作られ第２の極性の電極活物質の層で覆われた中央コアを備える鉛直方向の棒であり、
導電性材料から作られた各中央コアの上端セクションが、容器を閉じるためのカバーを鉛直方向に貫通して延在し、導電性材料から作られた中央コアの上端セクションすべてが、カバーの上方に配置されたコレクタ板によって互いに電気的に接続されており、
負極（第１の極性の電極）が、ケーシングの容器に流し込まれ、
第２の極性の電極の活物質の層が、固体電解質の周囲層で覆われ、
第２の極性の各電極の下端セクションが、ケーシングの容器の下壁内に形成された追加の電気絶縁ハウジング内に固定され、
第１の極性が負であり、第２の極性が正であり、
第１の極性の電極の集電体としての導電性材料の層が銅層であり、
第２の極性の電極の集電体を形成するための導電性材料の層がアルミニウム層であり、
第２の極性の各電極の活物質が、ＮＭＣ（ＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２）類に属することができる材料であり、
第１の極性の各電極の活物質が、グラファイト類に属することができる材料であり、
電解質が、高分子電解質、または鋳造セラミック／高分子ハイブリッド電解質であり、
正極が、電子の浸透を確実にするための電子導電剤を含有し、
負極が、電子の浸透を確実にするための電子導電剤を含有し、
電気化学セルは、
第１の極性の電極を形成する混合物が、銅被膜で覆われた第１の極性の導電性材料上における、活物質、導電剤および固体電解質をベースとした混合物であり、
第２の極性の電極を形成する混合物が、アルミニウム被膜で覆われた導電性材料から作られた中央コア上における、活物質、電子導電剤および固体電解質をベースとした混合物であり、
第１の極性の電極と第２の極性の電極との間の電気絶縁膜が、固体電解質であり、
固体電解質が、高分子電解質、またはセラミック／高分子のハイブリッド材料である
ことを特徴とする。
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明を読めばより明らかとなり、添付の図面を参照して理解することができる。
本発明による電気化学セルの一実施形態の概略斜視図である。 図１に示される電気化学セルの構成要素のうちのいくつかの部分分解斜視図である。 図１に示される電気化学セルの水平方向の切断面に沿った部分斜視図である。 図３の垂直縦方向の切断面４－４に沿った部分断面図である。 図３の垂直縦方向切断面５－５に沿った部分断面図である。 図３の垂直縦方向切断面６－６に沿った部分断面図である。 図１および図２の電気化学セルのケーシングの容器の一部分を示す斜視図である。 図７に示される容器の一部分の角部分のより大きなスケールの図である。 容器の底部に棒の形態の正極のうちの１つを固定する目的の第１の製造工程を示す図８と同様の図である。 容器の底部に形成されたハウジング内に取り付けられ固定された位置にある電極を示す図８および図９と同様の図である。
本発明の説明のため、および特許請求の範囲を理解するために、鉛直方向、縦方向および横方向は、非限定な一例として地球引力に関係なく、図面に示されるＶ、Ｌ、Ｔ座標系に従って採用され、その縦軸Ｌおよび横軸Ｔは一水平面内に延在する。
慣例により、横軸は前後に向き、縦軸は左右に向いている。
以下の説明を通して、同一または同様の要素は同じ参照数字を用いて示される。
特に示されない限り、以下の説明を通して、導電性、導電の、絶縁の、極性の、分極された、等の用語は、電気の法則に関して使用される。
図１および図２は、非限定的な一例としてこの場合は略直方体形状をなす、電気化学セル１０を示す。
したがって、電気化学セル１０は、基本的に、上面１６が鉛直方向に上向きに開いている下側容器１４と、この場合は長方形プロファイルの環状シール２０の挿入により下側容器１４を封止可能に閉じる上側カバー１８と、によって形成される、略直方体のケーシング１２を備える。
下側容器１４は、水平底壁２２と、２つの横方向の左側鉛直側壁２４と右側鉛直側壁２６と、２つの縦方向の前方鉛直側壁２８と後方鉛直側壁３０とを備える。
上側カバー１８のように、下側容器１４は、絶縁性の合成材料、具体的にはプラスチック、または複合材料から作られる。
非限定的な例として、電気化学セル１０の負極の集電体を形成するように、下側容器１４の内面全体、具体的には底壁２２の上面２３が、例えば銅である、導電性金属層１５で覆われる。
銅層１５は、例えば、蒸着によって製造される。
上側カバー１８は、長方形板の全体形態であり、その下面１７は、導電性材料で被覆されない。したがって、上側カバー１８は、絶縁要素である。
加えて、下面１７は、電気絶縁材料の層で被覆される。
上側カバー１８は、その上面１９に、この場合はアルミニウム製である、適合する形状および厚さの上側コレクタ板またはシート３４を収容および収納する長方形プロファイルのハウジング３２を画定する。
上側カバー１８およびコレクタ３４には、この場合縦方向に整列された孔の横方向に平行な列アライメントからなる規則的なパターンでコレクタ３４の利用可能な水平面全体にそれぞれ分布した一連の鉛直貫通孔３６および３８が穿孔されている。
図７に具体的に見られるように、下側容器１４の水平底壁２２は、限られた深さに延在しそれぞれが略円筒形の側壁４２および平坦な水平底壁４４によって画定される、一連のハウジング４０を備える。
各ハウジング４０の壁４２、４４にはいかなる銅被膜層もなく、したがって各ハウジング４０は絶縁ハウジングである。
ハウジング４０は、例えば、底壁２２を製造するときに成形によって製造される。銅層が下側容器１４の内面の残り部分に堆積されるとき、ハウジング４０が銅で被覆されることを防ぐために、銅層の蒸着を伴う作業の間、ハウジング４０の保護のためのマスクが使用され得る。
底壁２２の利用可能な内面全体は、縦方向と横方向にオフセットされたアライメントの形態の規則的なパターンで千鳥状に配置された一連のハウジング４０を備える。
電気化学セル１０の負極を形成する下側容器１４は、この場合、底壁２２に固定されてそこから延在する鉛直ロッドによってそれぞれ形成された一連の導電性要素４６を備える。
図４に見られるように、負極の集電体として働く各ロッド４６は、上側カバー１８の高さまでは延在せず、負極の集電体として働く各ロッド４６の上端と、上側カバー１８の下面１７に面する部分との間には鉛直クリアランスが存在する。
負極の集電体として働く各ロッド４６は、絶縁材料から作られ、さらに、下側容器１４の内面を銅層で被覆するときに同時に堆積によって製造され得る銅層で被覆され得る。
導電性材料から作られた、または銅層などの導電性材料で被覆された負極の集電体として働くロッド４６は、下側容器１４の内部の負極の「延長部」を形成するように、下側容器１４の内面のこの場合銅から作られた導電性被膜に電気的に接続されている。
負極の集電体として働くロッド４６は、底壁２２の内面の利用可能な表面全体に配置され、この場合三角形のような３つの隣り合うハウジング４０同士の間のそれぞれに規則的なパターンで分布する。
図７に具体的に見られるように、各ハウジング４０は、正方形のように配置された４つのロッド４６によって直接囲繞される、または、ハウジング４０が属する縦方向の列によっては２つの横方向に整列されたロッド４６によって囲繞されることさえあり、これはハウジング４０に対して等距離にある。
ハウジング４０、負極の集電体として働くロッド４６および鉛直孔３６、３８の他の幾何学的パターンおよび配置も、本発明の範囲から逸脱することなく可能である。
本発明の教示によれば、正極構造は、それぞれが鉛直方向の棒５０の形態の一連の電極からなる三次元構造である。
非限定的な一例として、この場合、各棒５０は、円形断面の円柱状の棒である。
各正極棒５０は、この場合アルミニウムの鉛直中央ロッドである中央ハブまたはコア５２を備える。中央ハブまたはコア５２の上側セクション５４は、上側カバー１８および電気化学セル１０の正極三次元構造のすべての正極５０についてのコレクタを形成するアルミニウム板３４にある整列された孔３６および３８に貫通して鉛直方向に受容されるように、円柱状の棒の上側水平面４９を越えて鉛直方向に延びる。
一代替実施形態として、各中央コア５２は、アルミニウム層で外側が被覆された絶縁材料からなり得る。板３４に接続された各中央コア５２は、集電体として働く。
各中央コア５２は、直径が例えば約２ミリメートルに等しく、正極材料と固体電解質との混合物であり浸漬被覆によって製造される層５６で外側が被覆される。
正極材料は、例えば、組成物の一般的な定義が（ＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２）である「ＮＭＣ」類に属する材料であり、ここで、ｘ、ｙおよびｚは様々な成分の化学量論的比率に対応する。
正極材料の管状層５６の径方向厚さは、例えば４ミリメートルである。
一例として、互いに反対にある上側水平面４９と下側水平面５１によって画定される各正極棒５０の高さは、例えば２００ミリメートルである。
非限定的な一例として、正極材料の層５６は、電気化学セル１０の固体電解質と同じであることが好ましい固体電解質被膜の追加の薄層で外側が被覆され、その組成および製造については本明細書の以下において述べられる。
各正極棒５０上に形成される固体電解質被膜の周囲層は、例えば、中央コア５２と正極材料の層５６とからなる棒を、予め加熱溶融されてある活物質および電解質に浸漬し、さらに予め加熱溶融された電解質中に浸漬することによって製造される。
冷却されると、固体電解質被覆膜が正極棒５０の外周面全体にわたって形成される。この膜は、正極と負極を電気的に絶縁することによるセパレータとして働く。膜の厚さは、高分子の形態の電解質を含有する選択された混合物の粘度の関数として変化する。
正極５０と負極６０との間に良好な機械的強度および十分な電気絶縁を提供するため、厚さは、例えば２０ミクロンのオーダーである。
各正極棒５０の取り付けおよび固定のため、各正極棒５０の自由下端セクション５８は、下側容器１４の底壁２２の関連のハウジング４０に受容され、固定される。
固定は、例えば、一滴の絶縁接着剤を用いた接着作業、または、関連のハウジング４０の底部４４に堆積された一滴の溶融された高分子電解質５９を用いた接着作業よって実現される。
図６に具体的に見られるように、各正極棒５０は、実質的に、ケーシング１２の内部高さ全体に延在し、その上側端面４９は、上側カバー１８の内面１７に隣接している。
最後に、電気化学セル１０は、この場合固体電解質である電解質と例えばグラファイトである活物質とを備える負極混合物６０を備える。混合物６０は、下側容器１４、具体的には正極棒５０および負極の集電体として働くロッド４６の周りに流し込まれる。
混合物６０は、流し込まれ冷却された後、硬化する。混合物は、下側容器１４内の利用可能な空間を完全に埋める。
下側容器１４は、次いで、正極棒５０のコア５２の上側自由端セクション５４が上側カバー１８および外側アルミニウム板３４を貫通するかたちで上側カバー１８によって封止可能に閉じられる。
次いで、外側アルミニウム板３４を形成するアセンブリおよび正極棒５０の接続のための上側自由端セクション５４が、外部環境から密閉的に保護され得る。
正極と外部電気回路との電気的な接続は、板３４に接続されている右側壁２６の上部に配置されたアルミニウムの導電性接続部品７０によって実施される。
負極と外部電気回路との電気的な接続は、銅層１５に接続されている右側壁２６の下部に配置された銅の導電性接続部品７２によって実施される。
有利には、本発明による設計によって、いかなる溶媒もなしに製造および実施される「固体」電気化学セル１０の製造が可能になり、これは空孔の形成を回避する利点を有する。
正極５０の寸法および負極ケーシング１２の寸法は、広範囲内で変化することができる。用途に応じて、例えば電気トラクションモータを含むモータ車両用のパワーバッテリに適用されるように、例えば、蓄えられるエネルギー容量を最大にするため、長さ数十センチメートルのケーシングが、高厚、すなわち数ミリメートルの厚さの電極の場合に選択され得る。
容量がより小さく嵩張らないシステムの場合、電極を同じ寸法に保ったまま、ケーシングのサイズを減少させることができる。
非常に大きな有効電力を有することを意図する場合、電解質中のイオン拡散時間を減少させるために、電極の厚さを減少させることができる。
本発明により、すべての負極と正極のサブアセンブリが平行に取り付けられ、それによってバッテリシステムのエネルギー密度が増加する。
成形によって製造され得る下側容器１４によって形成される三次元の負極の製造、および三次元の正極の製造について提案される技術によって、最大で厚さ百ミクロンの、現在の従来式の液体被覆技術を用いて得られるものよりもはるかに大きな厚さの電極の製造が可能になる。
電極が固体電解質を含む剛性容器の形態に区画化され得るということによって、板状電極のスタックを用いる従来の設計に比べて短絡のリスクが低減され得る。
さらに、本発明による電気化学セルシステムの電気的構成は、電圧の値が選択可能であるという意味で適合性がある。

Claims (12)

  1. ケーシング（１２）を備える電気化学セル（１０）において、前記ケーシング（１２）が、
    第１の極性（－）の第１の電極の集電体を形成するように導電性材料の層（１５）によって少なくとも部分的に内面が覆われた容器（１４）の形態の、下側の第１の要素を備え、
    前記容器（１４）を閉じるためのカバー（１８）の形態の、上側の第２の要素を備え、
    第１の電気的極性の三次元電極構造を収納し、
    前記第１の電気的極性の反対の第２の電気的極性（＋）の三次元電極構造を収納し、
    イオン導電性媒体として電解質を含有することを特徴とし、
    前記第２の電気的極性（＋）の三次元電極構造が、それぞれが鉛直方向の細長本体である一連の第２の極性の電極（５０）を備えることを特徴とする、
    電気化学セル（１０）。
  2. 前記第２の極性の電極（５０）が、規則的なパターンで前記ケーシング（１２）内部に分布していることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 前記容器（１４）が、前記導電性材料の層（１５）に電気的に接続された一連の第１の極性（－）の導電性要素（４６）を収納しており、前記一連の第１の極性（－）の導電性要素（４６）のそれぞれが鉛直方向に細長い形状の要素であることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気化学セル。
  4. 前記第１の極性の導電性要素（４６）が、規則的なパターンで前記ケーシング（１２）内部に分布していることを特徴とする、請求項３に記載の電気化学セル。
  5. 前記第１の極性（－）の導電性要素（４６）が、前記第２の極性（＋）の電極（５０）同士の間に等距離に分布していることを特徴とする、請求項２に従属する請求項３に記載の電気化学セル。
  6. 第２の極性の電極（５０）のそれぞれが、導電性材料から作られた鉛直方向の棒であり、かつ電解質と第２の極性の電極活物質の層（５６）とで覆われた中央コア（５２）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  7. 導電性材料から作られた各中央コア（５２）の上端セクション（５４）が、前記容器（１４）を閉じるための前記カバー（１８）を鉛直方向に貫通して延在し、導電性材料から作られた前記中央コア（５２）の前記上端セクション（５４）すべてが、前記カバー（１８）の上方に配置されたコレクタ板（３４）によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項６に記載の電気化学セル。
  8. 前記第１の極性の電極を形成する混合物（６０）が、前記ケーシング（１２）の前記容器（１４）に流し込まれる固体電解質ベースの混合物であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  9. 前記第２の極性の電極（５０）の活物質の前記層（５６）が、前記固体電解質の周囲層で覆われることを特徴とする、請求項６に従属する請求項８に記載の電気化学セル。
  10. 第２の極性の各電極（５０）の下端セクション（５８）が、前記ケーシング（１２）の前記容器（１４）の下壁内に形成された追加の電気絶縁ハウジング（４０）内に固定されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  11. 前記第１の極性が負であり、前記第２の極性が正であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気化学セル。
  12. 前記第１の極性の電極を形成する混合物（６０）が、銅被膜（１５）で覆われた前記第１の極性の導電性要素（４６）上における、活物質、導電剤および固体電解質をベースとした混合物であり、
    前記第２の極性の電極（５０）を形成する混合物（５６）が、アルミニウム被膜で覆われた導電性材料から作られた前記中央コア（５２）上における、活物質、電子導電剤および固体電解質をベースとした混合物であり、
    前記第１の極性の電極と前記第２の極性の電極との間の電気絶縁膜が、固体電解質であり、
    前記固体電解質が、高分子電解質、または高分子／セラミックのハイブリッド材料である
    ことを特徴とする、請求項６または８に従属する請求項１１に記載の電気化学セル。
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