JP2023542682A - エネルギー貯蔵セル - Google Patents

Abstract

１つ又は複数の個々のエネルギーセルを組み込むためのシステムが提供される。個々のエネルギーセルは、中央端子及び外側端子を有する上面を含む。第１の端子及び第２の端子は、実質的に平坦な電気接点として構成される。セルは、上面に機械的に接続された側面と、側面に機械的に接続された底面とを更に含む。【選択図】図４

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２０年９月２１日に出願された「ＥＮＥＲＧＹ ＳＴＯＲＡＧＥ ＣＥＬＬ（エネルギー貯蔵セル）」と題する米国仮出願第６３／０８１，２３８号の利益を主張する。米国仮出願第６３／０８１，２３８号は、参照により本明細書に組み込まれる。
一般的に説明すると、いくつかの装置又は構成要素は、少なくとも部分的に電源によって電力供給され得る。車両との関連では、電気自動車は、全体的又は部分的に、電源によって動力供給され得る。電気自動車用の電源は、一般に、「電池」と呼ばれることがあり、個々の電池セルやセル、モジュールやパックを表すことができる。いくつかのアプローチでは、セルのクラスタは個々のモジュールと見なすことができ、モジュールのクラスタはパックと見なすことができる。電気自動車用の電源は、パック構成で設置及び維持することができる。同様のアプローチ／専門用語は、エネルギーを収集、貯蔵、及び分配するためのグリッドストレージ用途に適用することができる。

電気自動車は、一般的には、携帯機器などの典型的な消費者製品の千倍もの大きな電力を必要とする。これらの電力要件を達成するために、電気自動車の電池パックは、通常、複数のモジュールに個別に配置又は構成された個々のセルの大規模かつ高密度の配置を含む。電池パックの組成及び性能は、個々の電池セルの特性、電池パックに組み込まれる個々のセルの総数、並びにモジュール又は電池パックへのセル及び補助構成要素の構成／向きに依存する。電池パックは、ほとんどの電気自動車輸送及びグリッドストレージの用途において、最も高価で大規模なアセンブリの１つになる可能性がある。

本開示は、中央端子、外側端子、及び端子絶縁体ガスケットを有する円形上面であって、中央端子及び外側端子は電気接点として構成され、中央端子は外側端子によって取り囲まれ、中央端子及び外側端子は上面を実質的に覆い、中央端子及び外側端子は端子絶縁体ガスケットによって分離され、端子絶縁体ガスケットは電気絶縁体である円形上面と、上面に機械的に接続された側面と、環状界面及び圧力ベント機能を有する側面に機械的に接続された円形底面であって、環状界面はセルの基部を形成するように構成され、圧力ベント機能は上面の反対方向にベントするように構成される円形底面と、上面、側面、及び底面内のエネルギー貯蔵材料とを備えるエネルギーセルを提供する。上面及び側面は連続し得る。中央端子２０２の領域と外側端子の領域は、依存するように構成することができる。中央端子２０２の領域と外側端子の領域は、セルアレイレベルの相互接続溶接又は他の組立工程が成功する統計的尤度の閾値に基づいて決定することができる。

本開示は、中央端子及び外側端子を有する上面であって、第１の端子及び第２の端子は、実質的に平坦な電気接点として構成される上面と、上面に機械的に接続された側面と、側面に機械的に接続された底面と、上面、側面、及び底面内のエネルギー貯蔵材料とを備える、エネルギーセルを提供する。上面は実質的に円形であり得る。中央端子及び外側端子は実質的に上面を覆うことができる。中央端子及び外側端子は、端子絶縁体ガスケットによって分離することができ、端子絶縁体ガスケットは電気絶縁体である。中央端子はカソードであり得、外側端子はアノードであり得る。中央端子の領域と外側端子の領域は、依存するように構成することができる。中央端子の領域と外側端子の領域は、セルアレイレベルの相互接続溶接又は他の組立工程が成功する統計的尤度の閾値に基づいて決定することができる。エネルギーセルはスリーブを更に備えることができ、スリーブは側面の少なくとも一部を取り囲む。スリーブは電気絶縁材料で構成することができる。スリーブは１つ又は複数の材料の２つの層から構成することができる。上面及び側面は連続し得る。上面は製造装置による磁気接着を介した移動を可能にするのに十分に鉄分を含むことができる。底面は実質的に円形であり得る。底面はセルの基部を形成するように構成された環状界面を有することができる。底面は上面の反対方向にベントするように構成された圧力ベント機能を有することができる。

本開示は、複数のセルを備え、セルの各々は、中央端子及び外側端子を有する上面であって、第１の端子及び第２の端子は、電気接点として構成される上面と、上面に機械的に接続された側面と、側面に機械的に接続された底面と、上面、側面、及び底面内のエネルギー貯蔵材料とを含み、セルは、レーザ溶接によって相互接続され、実質的に平坦な構成で整列される、電池システムを提供する。

本開示のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、特定の構成の図面を参照して説明されており、特定の構成を概略的に示すことを意図しており、本開示を限定することを意図していない。

スリーブ内の例示的なエネルギー貯蔵セルを示す。

例示的なエネルギー貯蔵セルの斜視図である。

例示的なエネルギー貯蔵セルの上面図である。

例示的なエネルギー貯蔵セルの代替上面図である。

例示的なエネルギーセルの底面図である。

例示的なエネルギーセルの上面及び底面の側面構造図である。

例示的なエネルギー貯蔵システムの分解図である。

一般的に説明すると、本開示の１つ又は複数の態様は、エネルギー貯蔵セルに関する。より詳細には、本開示は、大型車両及びグリッドストレージ製品に組み込むように設計されたエネルギー貯蔵セルに関する。例示的には、このような組込みをサポートするために、個々のエネルギー貯蔵セルは、様々な体積及びアスペクト比の円筒形貯蔵セルに対応することができる。円筒形貯蔵セルは、組込みを更にサポートする特定の特性又は構成を有する。より具体的には、一態様では、円筒形貯蔵セルは、特に、溶接相互接続のための表面積が正端子と負端子との間で統計的にバランスのとれた結果をもたらすように、同心でかつ実質的に同一平面の正端子及び負端子を提示するように構成された上面を含む。関連する態様では、中央端子インタフェース（正又は負）は、他方の端子、２つの端子間の電気絶縁体として機能する端子絶縁体ガスケット、又はセルキャニスタの別の要素を含む周囲の表面形状に比べて、高くなってもよい。別の態様では、円筒形貯蔵セルは、個々のセルを互いに及びセルアレイ内の補助構成要素から電気的に絶縁するために、スリーブが付けられた側面を含む。更に、側面は、例示的に、セルアレイの一部として追加された冷却システムとインタフェースを取り、個々のセル内で発生した熱を抽出するための一次導管として機能する。更に別の態様では、円筒形貯蔵セル設計は、従来技術では上面又は側面のいずれかに組み込む必要があり得るセルの特徴又は機能を選択的にグループ化する底面を含む。このような追加的な特徴としては、延伸成形又は押出成形されたセル缶の開放端を封止するための幾何学的形状、熱暴走時の修正ベントのための幾何学的形状、材料を貯蔵セルに受け入れるための入力などを挙げることができる。

例示的な実施形態では、円筒形貯蔵セルの上面、側面、及び底面の上述の態様の特定の組合せにより、それぞれの表面によって実施される機能の最適化の向上が促進される。例えば、上面に提示される機能又は構成要素を正端子及び負端子に限定することによって、例示的な円筒形貯蔵セルは、正端子及び負端子に対応する上面の表面積を増加させ、それによってレーザ溶接などの製造工程を介した電気的相互接続の溶接を容易にすることができる。これにより、経済的特性や性能特性を改善することができる。別の例では、追加の温度伝導特性を有するスリーブ材料を利用して、セルアレイの実施形態において、コストと性能を最適化した冷却チャネルを確立することができる。関連する技術分野の当業者であれば、このような構成又は組合せによって、追加の実施例及び利益も促進されることを理解するであろう。更に、関連技術の当業者であれば、本出願の範囲内にある他の貯蔵セルの実装形態は、本明細書に提示される表面の態様の異なる組合せを組み込むことができることを理解するであろう。

様々なエネルギー貯蔵セル設計で、個々のセルレベルにおいてコスト、パッケージ容積、質量、性能、耐久性、及び製造効率の最適化が試みられている。しかしながら、このような局所的な最適化は、通常、例えば、電気自動車やグリッドエネルギー貯蔵システムで利用されるセルアレイを用いて、貯蔵セルが組み込まれたエネルギー貯蔵システムのシステムレベルでのメトリックの最適化にはつながらない。セル形状因子の選択は、結果として生じる電池パックの性能、コスト、パッケージ容積、耐久性、及び製造効率に対する効率的かつ効果的な活用をもたらす。パウチセル、角柱セル、及び円筒セルの３つの異なる形状因子が、大型製品の用途で最も一般的に使用される。円筒形は、単一部品の連続動作組立工程によるコスト／製造効率、及び電極スタック材料の膨張力を内部で分解することによるパッケージング／耐久性において、決定的な利点をもたらす。円筒形はまた、一般に、短い熱経路長による性能向上、及び電極スタックのラップされた形状による体積エネルギー密度の向上をもたらす。関連技術の当業者であれば、組み込まれた電池パックのレベルで前述の円筒形の利点を明示するために、セルの外装を含めて個々のセルの材料及び機械的特徴は、電池パックの機能を実現するために複数のセルを組み込む能力に影響を与える可能性があることが理解されよう。したがって、本明細書に記載されるように、個々の円筒形貯蔵セルの様々な表面にわたる特定の特徴及び機能構成は、組み込まれたセルアレイのコスト、パッケージ容積、質量、性能、耐久性、及び製造効率に関して、製品システムレベルで追加の最適化をもたらすことができる。

本開示は、エネルギー貯蔵システムでの使用に焦点を当てているが、円筒形エネルギー貯蔵セルの設計は、形状因子が円筒形（電池、コンデンサ等）の任意のエネルギー貯蔵装置を改善するために利用することができ、ここで、コスト、容積、性能、及び質量に敏感な大型アレイ製品の自動製造が優先される成果である。関連技術の当業者であれば、追加の利点又は技術的効率は、本出願の１つ又は複数の態様又は態様の組合せに限定されることなく関連付けることができることを理解するであろう。
例示的なエネルギー貯蔵セル

図１Ａは、例示的な円筒形エネルギー貯蔵セル１００の断面側面図を示す。貯蔵セルは、上面１０２、側面１０４、及び底面１０６を有することができる。側面１０４は、貯蔵セルのセル壁を含むことができる。セル寸法（例えば、高さや直径など）は、限定はしないが、様々なバス電圧における車両バッテリプラットフォーム及びエネルギーグリッドネットワークなどの様々なエネルギー貯蔵システムにわたって、同電圧クラスタの繰り返しパターンを形成するように最適化することができる。貯蔵セルの構築に使用される材料は、所与のエネルギー貯蔵用途において、内部及び外部と接触する物質の両方と、化学的及び熱的に適合することができる。図１Ａ及び図１Ｂでは円筒形の実施形態として示されているが、他の実施形態では、エネルギー貯蔵セルは、角柱又はパウチの形状因子など非円筒形でなくてもよい。

図１Ｂは、例示的な円筒形エネルギー貯蔵セルの斜視図である。側面１０４は、セルの構造を形成する連続構造の一部であり得る。上面１０２及び側面１０４は、連続することができる（例えば、物質的に連続する、機械的に連続する、又は任意の他の形態の連続性又は持続性）。同様に、底面１０６及び側面１０４は連続し得る。例えば、セルの外側構造は「缶」と呼ばれることが多く、側面は「缶壁」と呼ぶことができる。例示的には、セルの側面１０４は、セル上の機械的及び電気的な弱点の数又は重大性を低減するために、上面１０２又は底面１０６と連続していてもよい。例えば、側面１０４が上面１０２と連続している実施形態では、セルは、剛性及び強度に関して、局所的に均質な構造を呈する。このようなセル構造は、上面１０２に加えられる、又は他の方法で経験される機械的荷重、圧力、又は応力を扱うのにより適している場合がある。これはまた、セルの組立て、又はセルが使用される製品の組立てに有効であり、機械的弱点及び関連する組立てエラーを排除することができる。

更に、以下に説明するように、セルが使用のために配置されると、上面１０２に加えられる機械的荷重、圧力、又は応力の一部を処理するために上面１０２を使用することができる。例示的に、上面１０２は、製品構造の組込みのために引張強度及び剛性を高め、並びに電気的相互接続工程中の固定力に対応するために、圧縮強度及び剛性を高めるように構成され得る。セル１００のアレイは、それ自体の質量、又は追加的に製品フレーム（車体など）を支持するのに十分な強度及び剛性をもたらすサンドイッチパネル構造を作り出すように、上面１０２をシートに直接接合することができる。

いくつかの実施形態では、スリーブ１０８は、貯蔵セル１００の外面に適用することができる。スリーブは、セルの少なくとも円筒状側面１０４を実質的に取り囲むことができる。例示的に、円筒状側面１０４は、導電性材料で構成される。いくつかの実施形態では、スリーブ１０８は、セルの円筒状側面１０４を実質的に取り囲まず、むしろセルの側面１０４を部分的に露出させる１つ又は複数のバンドから構成することができる。スリーブ１０８のこれらのバンドは、セルの円筒状側面１０４の高さに沿って互いに等距離に離隔することができ、又はセルの上面１０２若しくはセルの底面１０６に実質的に近接して配置することができる。スリーブ１０８が１つ又は複数のバンドから成る場合、スリーブ１０８により、セルの側面１０４への直接的な機械的接合の機会を維持しながら、セルと他の構成要素（他のセルを含む）との間の電気的に絶縁された物理的接触が可能になる。

いくつかの実施形態では、スリーブ１０８は電気絶縁材料であり得る。スリーブ１０８は、各エネルギー貯蔵セルを製品フレーム、他の貯蔵セル、及び冷却システムなどの他のエネルギー貯蔵システム構成要素から電気的に絶縁する、電気障壁を形成することができる。スリーブ１０８は、電池セル１００の最大体積充填密度を有する直列電圧ストリングに対応する複数の貯蔵セル１００の構造又は構成を容易にすることができる。この構成では、スリーブ１０８は、個々のセル間の望ましくない電気的接続を緩和し、セルアレイによって貯蔵セル間の間隔ギャップをなくすことができる。したがって、スリーブの使用により、限定ではないが、体積エネルギー密度の向上、内部ボイド容積の減少（構造的に充填されたモジュール及び電池パック構成のコストを直接低減する）、誘発又は非誘発の熱暴走による熱エネルギーのバランスのとれた分配の促進（モジュールレベル又はパッケージレベルの安全事象への伝播の可能性を低減する）、セル間のバンパ、バッファ又は機械的シムとしてのセル間隔の強制的な調整、及びアプリケーション特有の性能向上のために隣接構成要素を電気伝導可能又は熱伝導可能にすることを含め、エネルギー貯蔵システムにおけるいくつかの利点を可能にすることができる。

代替的に、スリーブ１０８は、それ自体が主要な電気絶縁媒体として機能することなく、セル分離を物理的に強制するバンパ、バッファ、又は機械的シムとして使用することができる。セル間隔を強制するバンパ又はバッファとしてスリーブ１０８を使用することにより、セルの動きや上下動を低減することができる。いくつかの実施形態では、スリーブ１０８は、セルのラベルであり得、そして規制情報や重要な使用方法の詳細などのセルに関する情報を含み得る。

いくつかの実施形態では、スリーブ１０８は、材料の単一ラッピングである。いくつかの実施形態では、スリーブ１０８は、１つ又は２つの材料の二重ラッピングである。二重ラッピングは、一方又は両方のラッピングの主要な性能特性が経時的に低下する場合に有用であり得る。二重ラッピングは、セルアレイからのセルの取り出しや、セルアレイ内でのセルの交換を簡略化するスライディングインタフェース層を形成することによって、保守性の向上に更に有用であり得る。

他の実施形態では、導電性側面が露出するようにスリーブ１０８なしで貯蔵セル１００を製造してもよい。このような実施形態では、エネルギー貯蔵システムで使用する間、貯蔵セル１００とエネルギー貯蔵システムの他の構成要素との間に距離が残るように、貯蔵セル１００を配置する場合がある。このような実施形態において貯蔵セル１００間の距離が望ましくない場合、隣接する同電圧クラスタ内のセルは、側面１０４間の直接接触の結果、電位ゼロとなるように端子極性を反転させて構成することができ、それによって直列電圧スタックを構築するための接触は取るに足らないものとなる。

図１Ｂを参照すると、側面１０４は、他の競合する機能が存在しない側面１０４のセクションに沿って、空気冷却、液体冷却、又は受動的な冷却を促進するように設計されてもよい。いくつかの実施形態では、側面１０４は、セルアレイ製造の一部として提供される能動的な冷却チャネルや冷却構成要素（例えば、ヒートシンク）とインタフェースを取ってもよい。したがって、側面１０４及びスリーブ１０８（個別に又は組み合わせて）は、貯蔵セル１００の他の一方又は両方の表面と比較して、優れた熱伝導性経路を有することを提示する場合がある。いくつかの実施形態では、上面１０２又は底面１０６を介して貯蔵セル１００を冷却する場合がある。これらのインタフェースのどのサブグループも、同時に冷却することも、全てを一緒に冷却することも（例えば、浸漬、相変化など）、全く冷却しないことも（受動的／セルの熱容量に依存）可能である。いくつかの実施形態では、側面１０４は、セルの周りを円筒状に掃引することができる。いくつかの実施形態では、側面１０４は、上面１０２又は底面１０６の近くで湾曲し得る。側面１０４の冷却を代替的に使用して、上面１０２及び底面１０４を冷却することができる。これはひいては、上面１０２及び底面１０６の設計を主に圧力ベント、電気端子セル機能、及び構造的接続のために設計することが可能になる。側面１０４を冷却することはまた、固定された車両製品高さのエンベロープにパッケージングすることができるセル用キャニスタの高さを最大化し、事実上、セル活物質コスト／質量オーバーヘッドを最小化するためにも有用であり得る。このような冷却装置はまた、構造的に組み込まれたエネルギー貯蔵システムの直列負荷経路内における典型的な乱用ゾーンから、熱管理インタフェースを取り除くことも可能にする。この構成は、例えば、周囲環境への熱漏洩率を最小化することで、セルが車室内の暖房のための蓄熱を提供するなど、更なる熱的利益をもたらすことができる。側面１０４が冷却される実施形態では、スリーブ１０８は、高い耐熱性を有していなくてもよい。

側面１０４は、側面１０４をエネルギー貯蔵システム内の相補的な剛性構成要素と位置合わせすることによって、エネルギー貯蔵システムにおける貯蔵セル１００の正確な位置決めのために、更に使用され得る。いくつかの実施形態では、相補的な構成要素は、エネルギー貯蔵システムにおける熱的構成要素であってもよい。

側面１０４は、０．１～２．０ｍｍの厚さを有することができる。側面１０４は、約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、又は１．０ｍｍの厚さを有することができる。側面１０４は、約１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．３ｍｍ、１．４ｍｍ、１．５ｍｍ、１．６ｍｍ、１．７ｍｍ、１．８ｍｍ、１．９ｍｍ、又は２．０ｍｍの厚さを有することができる。側面１０４は、０．０５ｍｍの厚さを有することができる。より薄い側面１０４を使用して、より高い体積エネルギー密度を可能にすることができる。セルサイズがより長いか、又はより長い電極を有する場合、壁（側面１０４を参照）をより厚くすることができる。側面厚さを考慮する際の重要な要素には、経年疲労による機械的強度、内圧による大きなフープ応力から起こり得る側面破断に対する耐性、及びセルの冷却／加熱中に並列抵抗として作用する熱バランスがある。

上面１０２又は底面１０６は、側面１０４と比較して比較的厚くすることができる。上面１０２又は底面１０６のうちの１つ又は複数は、０．１～２．０ｍｍの厚さを有することができる。上面１０２又は底面１０６は、約０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、又は１．０ｍｍの厚さを有することができる。上面１０２又は底面１０６は、約１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．３ｍｍ、１．４ｍｍ、１．５ｍｍ、１．６ｍｍ、１．７ｍｍ、１．８ｍｍ、１．９ｍｍ、又は２．０ｍｍの厚さを有することができる。より厚い上面１０２又は底面１０６は、電気接続のための追加の基板を提供することができる。より厚い上面１０２又は底面１０６は、任意選択でより大きな相互接続工程ウィンドウを用いて、側面１０４により強力な溶接を行うのに有用であり得る。より厚い上面１０２又は底面１０６は、セルの通常動作時に電気的接合部からのより多くの熱伝達を可能にするため、高い伝熱能力を実現するのに有用であり得る。より厚い上面１０２又は底面１０６は、セル及び最終製品の組立て時に材料処理又は組立機器からの磁束をより多く封じ込めるための製造に有用であり得る。これにより、より背の高いセルの製造及びより高い工場稼働率を可能にすることができる。

図２Ａは、貯蔵セル１００の上面１０２を示す。上面１０２は、同心円状の正端子及び負端子として構成された導電性材料から構成されてもよく、図２Ａにおいて中央端子２０２及び外側端子２０４として描かれている。中央端子２０２及び外側端子２０４は、各端子又は各端子の境界を識別できるように、テキスト、記号、色、幾何学的特徴などでマークすることができる。いくつかの実施形態では、中央端子を端子絶縁体ガスケット２０６で取り囲むことができる。端子絶縁体ガスケット２０６は、中央端子２０２と外側端子２０４との間の電気絶縁体（又は誘電絶縁体）として機能することができる。中央端子２０２及び外側端子２０４を他の構成要素と接合して、他のシステム、サブシステム、又は構成要素に電力を供給することができる。中央端子２０２及び／又は外側端子２０４は、電気接点としての適性を向上させるために、外部に構成することができる。このような外部構成は、材料適合性を向上させ、中央端子２０２及び／又は外側端子２０４との電気的接合を行うために利用できる領域や厚さを改善することができる。

いくつかの実施形態では、中央端子２０２は正端子であり、外側端子２０４は負端子である。他の実施形態では、中央端子２０２は負端子であり、外側端子２０４は正端子である。いくつかの実施形態では、中央端子２０２は、上面１０２から突出した（例えば、端子絶縁体ガスケット２０６及び／又は外側端子２０４から突出した）単一の固体導電性構成要素であってもよく、これにより、セルアレイレベルでの相互接続部品との干渉が最小限に抑えられる。中央端子２０２はまた、接着剤、封止材、又はヒートシンク要素用のギャップ設定機構として使用されてもよい。スリーブ１０８は、エネルギー貯蔵システム内の隣接する貯蔵セル１００間の正端子と負端子との偶発的なブリッジを防止するために、又は冷却システム若しくは製品フレームなどの電位が異なる導電性構成要素からの最短の表面横断「沿面距離」を強制的に調整するために、上面１０２の外周と重なってもよい。

上面１０２は、貯蔵セル１００の気密性を損なうリスクを最小限に抑えながら、広い相互接続エネルギー工程ウィンドウ－相互接続アセンブリのギャップ調整の堅牢性につながる－を与えるのに適した基板の厚さ及び材料を備えた最大限に平坦で障害物のない実行可能な溶接領域として調整される場合がある。各端子溶接部の対向する両側で、フォイル押さえ、溶接領域、及び四プローブケルビン相互接続検証試験を同時に行うために、十分な正負の端子領域を設ける場合がある。貯蔵セル１００の全ての正負のセル端子は実質的に同一平面上に共通の向きで配置されるため、電力供給や電圧検知に必要な電気的相互接続も、単一の平面に沿って（例えば、フォイルシートとして一体化されて）伸びることができる。上面１０２の共通平面に沿ってレーザ溶接された相互接続は、低い熱損失で電圧及び電流を供給するために使用される電気伝導性の接続部を形成することができ、また、製造及び運転の費用を低減した電圧感知及び制御用の電子機器を接続することができる。

いくつかの実施形態では、上面１０２は、鉄又は磁性材料で作ることができる。いくつかの実施形態では、中央端子２０２又は外側端子２０４は、鉄又は磁性材料で作られる。いくつかの実施形態では、中央端子２０２又は外側端子２０４ではない上面１０２の部分は、鉄又は磁性材料を含む。組立工具を使用して、上面１０２への磁気吸引によってセル及び電池アセンブリ全体をピックアップすることができるように、十分な鉄又は磁性材料が上面１０２上に存在し得る。

いくつかの実施形態では、側面１０４は、上面１０２と同じ鉄又は磁性材料で作ることができる。代替的に、側面１０４は、異なる材料で作ることができる。側面１０４は、非磁性又は非鉄材料で作ることができる。側面１０４は、より軽い材料（例えば、アルミニウム）で作ることができる。

例示的な実施形態では、中央端子２０２及び外側端子２０４によって示される円形領域の寸法は、セルアレイレベルの相互接続工程（例えば、レーザ溶接）が成功する統計的尤度の閾値に基づいて決定され得る。例えば、一実施形態では、成功する閾値尤度は、９９．９９９９％（４シグマ）又は最大失敗率０．０００１以下に設定され得る。更に、中央端子２０２及び外側端子２０４によって示される円形領域の寸法は、依存するように構成することができる。一実施形態では、中央端子２０２の直径は、相対的に外側端子２０４の直径の半分（１／２）に設定されてもよい。別の実施形態では、中央端子２０２の平坦で導電性の直径は、外側端子２０４の平坦で導電性の半径方向の幅にほぼ等しく設定されてもよい。関連技術の当業者であれば、様々な貯蔵セル、製造環境、熱システム構成、又は所望のセルアレイに対して、他の故障率、閾値、依存性又は比例性を用いることができることを理解するであろう。更に、内部材料を受け入れるため、又は物理的接続を行うためのポート２０８などの追加の機能が上面１０２に実装される場合、相互接続溶接又は他の組立工程の結果を統計的にリバランスするために、図２Ｂに示すように、中央端子２０２又は外側端子２０４の寸法をそれに応じて調整してもよい。電気的相互接続に外側端子２０４の表面の比較的小さな部分が必要とされる実施形態では、残りの領域は、セル端子温度計装のためのインタフェースとして利用することができる。

いくつかの実施形態では、端子絶縁体ガスケット２０６は、小さい半径方向幅（例えば、０．１ｍｍ）を有する。端子絶縁体ガスケット２０６は、電位４．２Ｖでの電気的沿面要件を満たすのに十分な薄さにすることができる。代替的に、端子絶縁体ガスケットは、３．０Ｖ、３．２Ｖ、３．４Ｖ、３．６Ｖ、３．８Ｖ、４．０Ｖ、４．４Ｖ、４．６Ｖ、４．８Ｖ、又は５．０Ｖの電気的沿面要件を満たすように構成することができる。薄い端子絶縁体は、上面１０２上の電気的インタフェース領域を最大化するのに有用であり得る。

図３は、貯蔵セル１００の底面１０６を示す。底面１０６は、セルアレイ又は電池パック組込みのためにアクセスしたりインタフェースする必要がない全ての貯蔵セル機能を組み込むことができる。例えば、底面１０６は、セル缶の開放側を封止するための幾何学的形状及び／又は熱暴走時の修正されたベントのための幾何学的形状など、端子を収容すること以外の全ての機能を含むことができるが、これらに限定されない。全ての非平面、非端子の機能を底面１０６に組み込むことにより、上面１０２は最大の電気インタフェース領域を持つことができ、相互接続溶接又は他の組立工程の結果を最適化することができる。

図４は、セル内部４１０を包むセルの上面１０２及び底面１０６の断面側面構造図を示す。底面は、内部材料を受け入れるため、又は物理的接続を行うためのポート４０８を有することができる。

いくつかの実施形態では、底面１０６は、１つ又は複数の凹部４０４と、ライン接触基部４０６とを有する。ライン接触基部４０６は、セルが底面１０６上に安定して載ることができるように構成される。ライン接触基部４０６は、セル１００の安定性をもたらすために、底面１０６上の環状部、又は接触面に対して実質的に環状部であり得る。代替的に、ライン接触基部４０６は、セルが底面１０６上に静止している間セルに安定性を与えるように構成された、底面１０６上の３つ以上の接触点又は接触領域であり得る。底面１０６の１つ又は複数の凹部４０４のうちの１つは、圧力ベント機能４１２を収容するために使用することができる。１つ又は複数の凹部４０４を使用して、底面１０６上、又は底面１０６と側面１０４との間で、密閉式クロージャなどを覆い隠すことができる。セル及び底面１０６の構造健全性に関連する他の目的のために、１つ又は複数の凹部４０４を使用することができる。

いくつかの実施形態では、セルの内部の構成要素（例えば、導体及び活物質）に続いて底面１０６を設置及び封止できるように、底面１０６は側面１０４と連続していない。いくつかの実施形態では、底面１０６は、電池セルの材料を受け取るためのポートを含む場合がある。

少なくとも１つの方法で連続しない（例えば、機械的に連続する、物質的に連続する、又は任意の他の形態の連続性又は連続状態）底面１０６を有することはまた、側面１０４及び上面１０２によって提起される制約やトレードオフから大きく独立した方法で、圧力ベント特性を微調整するためにも有効であり得る。この実施形態は、特に、高温ガス、デブリ、及び火炎を、隣接するセル、敏感な構成要素、及び製品ユーザから遠ざけることで、セル故障シナリオの予測可能性を改善することができる。底面１０６上の圧力ベント機能４１２に対する追加又は代替のその後の最適化は、特に、高温ガス、デブリ、及び火炎を、隣接するセル、敏感な構成要素、及び製品ユーザから更に遠ざけることによって、セル故障シナリオの予測可能性を更に改善することができる。これらのハザードをより決定論的に操ることで、熱暴走及び傷害が伝播する確率を低減することができる。

底面１０６の周囲は、スリーブ１０８の品質欠陥若しくは厚さの変化、又は圧延若しくは溶接されたキャニスタ縁部の輪郭の変化が、エネルギー貯蔵システムのセル位置合わせ精度に影響を及ぼさないように、スリーブ１０８の多少の重なりを収容するために凹んでいてもよい。底面１０６の構成は、同時に、スリーブ１０８を製造作業中の取扱いや搬送による機械的摩耗及び乱用から保護し、底面１０６と強度限界のある接着剤など隣接する構成要素との間の接触面積をより大きくすることができる。

引き続き図４を参照すると、中央端子２０２は、導電性材料の固体片で構成され得る。中央端子２０２は、端子絶縁体ガスケット（例えば、圧縮シール）２０６を介して外側端子２０４から分離されてもよい。本明細書で説明するように、底面１０６は、スリーブ１０８が凹部４０４の上で重なることができる凹部４０４を有してもよい。中央端子２０２及び外側端子２０４は、内部セル構造（例えば、アルミニウム）のレーザ溶接及び溶接に適した任意の材料を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、導電性側面１０４は、外側端子２０４と連続していてもよく、従来から使用されているキャニスタ材料に対して、熱伝導率、熱拡散率、溶接相互接続歩留まり、及び重量エネルギー密度を改善するための押出又は引抜アルミニウムグレードを含んでもよい。

開示されたエネルギー貯蔵セル設計は、エネルギー貯蔵装置に適した任意の内部構造で使用することができる。適切な内部設計の一例は、第１の基板、内側セパレータ、第２の基板、及び外側セパレータを含んでもよい。第１の基板は導電性であってもよい。内側セパレータは、電気的に絶縁性であってもよく、第１の基板の上に配置されてもよい（例えば、上に積層されてもよい）。導電性の第２の基板は、更に、内側セパレータの上に配置されてもよい（例えば、上に積層されてもよい）。電気絶縁性外側セパレータは、第２の基板の上に配置されてもよい（例えば、上に積層されてもよい）。第１の基板、内側セパレータ、第２の基板、及び外側セパレータを連続的に積層するとすぐに、第１の基板が中心軸に最も近い位置にある状態で、第１の基板、内側セパレータ、第２の基板、及び外側セパレータを、中心軸を中心としてロール状に巻き取ることができる。いくつかの実施形態では、外側セパレータは存在しない。次いで、巻かれた構成要素は、イオン移動媒体と共に、本開示の円筒形エネルギー貯蔵セル設計内に収容することができる。
例示的な製品システム

図５は、セルアレイ５３０内で貯蔵セル１００を使用することができる例示的なエネルギー貯蔵システム５００を示す。一実施形態では、貯蔵セル１００は、モジュールとして共通の向きに配置されてもよい。他の実施形態では、セルアレイは、モジュールとして交互に又は千鳥状に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、貯蔵セル１００は、スリーブ１０８を有してもよく、互いに直接隣接して配置されてもよい。他の実施形態では、貯蔵セル１００は、スリーブ１０８を有さなくてもよく、したがって、各セル間にある程度の距離を置いて配置されてもよい。いくつかの実施形態では、貯蔵セル１００は、下側電圧ブリックフォイルシート５４０を介して電気的に相互接続されてもよく、フォイルシート５４０は、セル１００、感知電子機器、及び正／負アレイ端子との電気的接続を形成するためにレーザ溶接される。他の実施形態では、フォイルシート５４０を完全に省略する場合がある。貯蔵セル１００の側面１０４を熱部品５３８を使用して冷却してもよい。セルアレイをフレーム構造５０２内に収容して蓋５２０で封止してもよい。

前述の開示は、本開示を、開示された正確な形態又は特定の使用分野に限定することを意図していない。したがって、本明細書で明示的に説明されているか暗示されているかにかかわらず、本開示に対する様々な代替の実施形態及び／又は修正が、本開示に照らして可能であると考えられる。このように本開示の実施形態を説明したが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。したがって、本開示は、特許請求の範囲によってのみ限定される。

前述の明細書では、本開示は、特定の実施形態を参照して説明されてきた。しかしながら、当業者が理解するように、本明細書に開示された様々な実施形態は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、変更又は他の様々な方法で実施することができる。したがって、この説明は、例示的なものと見なされるべきであり、開示されたセルアセンブリの様々な実施形態の製造及び使用の態様を当業者に教示することを目的とするものである。本明細書に示され、説明される開示の形態は、代表的な実施形態として解釈されるべきであることを理解されたい。同等の要素、材料、工程、又はステップは、本明細書で代表的に例示及び説明されているものと置き換えてもよい。更に、本開示の特定の特徴は、他の特徴の使用とは独立して利用されてもよく、全ては、本開示のこの説明の利益を得た後に当業者に明らかになるであろう。本開示を説明及び主張するために使用される「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「組み込む（ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ）」、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「である（ｉｓ）」などの表現は、非排他的な方法で解釈されることを意図している、即ち、明示的に説明されていない項目、構成要素又は要素も存在することを許容している。単数形への言及はまた、複数形に関連すると解釈されるべきである。

更に、本明細書に開示される様々な実施形態は、例示的及び説明的な意味で解釈されるべきであり、決して本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。全ての結合参照（例えば、取り付ける（ａｔｔａｃｈｅｄ）、添付する（ａｆｆｉｘｅｄ）、結合する（ｃｏｕｐｌｅｄ）、接続する（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）など）は、本開示の読者の理解を助けるためにのみ使用され、特に、本明細書に開示される位置、向き、又はシステム及び／又は方法の使用に関して、限定を生じさせることはない。したがって、結合参照は、もしあれば、広く解釈される。更に、このような結合参照は、２つの要素が互いに直接接続されていることを必ずしも暗示するものではない。

更に、「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」、「第３の（ｔｈｉｒｄ）」、「一次の（ｐｒｉｍａｒｙ）」、「二次の（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）」、「主要な（ｍａｉｎ）」、又はその他の通常用語及び／又は数値用語など、これらに限定されない全ての数値用語も、本開示の様々な要素、実施形態、変形及び／又は修正に関して読者の理解を助けるために識別子としてのみ理解されるべきで、特に、別の要素、実施形態、変形及び／又は修正に対する、又はそれを超える任意の要素、実施形態、変形及び／又は修正の順序又は優先度に関して、いかなる限定を生じさせることはない。

また、図面／図に示されている１つ又は複数の要素はまた、特定の用途に応じて有用であるように、より分離された又は組み込まれた方法で実装することもできるし、又は、特定の場合に動作不能として除去したり放棄したりさえできることも理解されよう。更に、図面／図中のシグナルハッチングは、特に明記されていない限り、例示としてのみ考慮されるべきであり、限定的なものではない。

Claims (20)

1. エネルギーセルであって、
   中央端子、外側端子、及び端子絶縁体ガスケットを有する円形上面であって、
   前記中央端子及び前記外側端子が電気接点として構成され、
   前記中央端子が前記外側端子によって取り囲まれ、
   前記中央端子及び前記外側端子が上面を実質的に覆い、
   前記中央端子及び前記外側端子が前記端子絶縁体ガスケットによって分離され、
   前記端子絶縁体ガスケットが電気絶縁体である、円形上面と、
   前記上面に機械的に接続された側面と、
   環状界面及び圧力ベント機能を有する前記側面に機械的に接続された円形底面であって、
   前記環状界面が前記セルの基部を形成するように構成され、
   前記圧力ベント機能が前記上面の反対方向にベントするように構成される、円形底面と、
   前記上面、前記側面、及び前記底面内のエネルギー貯蔵材料と、を備える、エネルギーセル。
2. 前記上面及び前記側面が連続している、請求項１に記載のエネルギーセル。
3. 前記中央端子の領域と前記外側端子の領域が依存するように構成される、請求項１に記載のエネルギーセル。
4. 前記中央端子の領域及び前記外側端子の領域が、セルアレイレベルの相互接続溶接又は他の組立工程が成功する統計的尤度の閾値に基づいて決定される、請求項１に記載のエネルギーセル。
5. エネルギーセルであって、
   中央端子及び外側端子を有する上面であって、前記第１の端子及び前記第２の端子が実質的に平坦な電気接点として構成される上面と、
   前記上面に機械的に接続された側面と、
   前記側面に機械的に接続された底面と、
   前記上面、前記側面、及び前記底面内のエネルギー貯蔵材料と、を備える、エネルギーセル。
6. 前記上面が実質的に円形である、請求項５に記載のエネルギーセル。
7. 前記中央端子及び前記外側端子が前記上面を実質的に覆う、請求項５に記載のエネルギーセル。
8. 前記中央端子及び前記外側端子が端子絶縁体ガスケットによって分離され、前記端子絶縁体ガスケットが電気絶縁体である、請求項５に記載のエネルギーセル。
9. 前記中央端子がカソードであり、前記外側端子がアノードである、請求項５に記載のエネルギーセル。
10. 前記中央端子の領域及び前記外側端子の領域が依存するように構成される、請求項５に記載のエネルギーセル。
11. 前記中央端子の領域及び前記外側端子の領域が、セルアレイレベルの相互接続溶接又は他の組立工程が成功する統計的尤度の閾値に基づいて決定される、請求項５に記載のエネルギーセル。
12. スリーブを更に備え、前記スリーブが前記側面の少なくとも一部を取り囲む、請求項５に記載のエネルギーセル。
13. 前記スリーブが電気絶縁材料からなる、請求項１２に記載のエネルギーセル。
14. 前記スリーブが１つ又は複数の材料の二層からなる、請求項１２に記載のエネルギーセル。
15. 前記上面及び前記側面が連続している、請求項５に記載のエネルギーセル。
16. 前記上面が製造装置による磁気接着を介した移動を可能にするのに十分な強磁性である、請求項５に記載のエネルギーセル。
17. 前記底面が実質的に円形である、請求項５に記載のエネルギーセル。
18. 前記底面が前記セルのための基部を形成するように構成された環状界面を有する、請求項５に記載のエネルギーセル。
19. 底面が前記上面の反対方向にベントするように構成された圧力ベント機能を有する、請求項５に記載のエネルギーセル。
20. 電池システムであって、
    複数のセルを備え、前記セルの各々が、
    中央端子及び外側端子を有する上面であって、前記第１の端子及び前記第２の端子が電気接点として構成される上面と、
    前記上面に機械的に接続された側面と、
    前記側面に機械的に接続された底面と、
    前記上面、前記側面、及び前記底面内のエネルギー貯蔵材料と、を含み、
    前記セルが、レーザ溶接によって相互接続され、実質的に平坦な構成で整列される、電池システム。

Images